Il grafene non drogato non è un metallo, semiconduttore, o isolante ma un semimetallo, le cui proprietà insolite includono interazioni elettrone-elettrone tra particelle ampiamente separate sul reticolo a nido d'ape del grafene - qui suggerito dall'impressione di un artista dei diagrammi di Feynman spesso usati per tenere traccia di tali interazioni. Le interazioni si verificano solo su distanze molto brevi nei metalli ordinari. L'interazione a lungo raggio altera il carattere fondamentale dei portatori di carica nel grafene. Credito:immagine di Caitlin Youngquist, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley
Grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo, era oggetto di speculazione teorica molto prima che fosse effettivamente realizzato. La teoria prevede proprietà straordinarie per il grafene, ma testare le previsioni rispetto ai risultati sperimentali è spesso impegnativo.
Ora i ricercatori che utilizzano l'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno compiuto un passo importante per confermare che il grafene è insolito come previsto, forse anche di più.
"Il grafene non è un semiconduttore, non un isolante, e non un metallo, "dice David Siegel, l'autore principale di un articolo in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) riportando i risultati del gruppo di ricerca. "È un tipo speciale di semimetallo, con proprietà elettroniche che sono ancora più interessanti di quanto si possa sospettare a prima vista."
Siegel è uno studente laureato presso la Divisione di Scienze dei Materiali (MSD) del Berkeley Lab e membro del gruppo di Alessandra Lanzara presso il Dipartimento di Fisica dell'Università della California a Berkeley. Lui e i suoi colleghi hanno utilizzato la linea di luce ALS 12.0.1 per sondare un campione di grafene appositamente preparato con ARPES (spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta) al fine di osservare come si comporta il grafene non drogato - il materiale intrinseco senza portatori di carica extra - vicino al cosiddetto "Punto Dirac."
I coni di Dirac di grafene sono spesso disegnati con i lati diritti (a sinistra) che indicano un aumento graduale di energia, ma uno spettro ARPES vicino al punto di Dirac del grafene non drogato (abbozzato in rosso a destra) mostra una curvatura interna distinta, indicando interazioni elettroniche che si verificano a un raggio sempre più lungo e portano a maggiori velocità degli elettroni:uno dei modi in cui l'elettronica del grafene semi-metallico differisce da quella di un metallo. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Il punto di Dirac è una caratteristica unica della struttura a bande del grafene. A differenza della struttura a bande dei semiconduttori, Per esempio, il grafene non ha band gap – nessun gap di energia tra la banda di valenza piena di elettroni e la banda di conduzione non occupata. Nel grafene queste bande sono rappresentate da due coni ("dirac coni") le cui punte si toccano, attraversando linearmente al punto di Dirac. Quando la banda di valenza del grafene è completamente piena e la banda di conduzione è completamente vuota, il grafene può essere considerato "non drogato" o "a carica neutra, " ed è qui che si possono osservare alcune delle proprietà interessanti del grafene.
Un esperimento ARPES misura ordinatamente una fetta attraverso i coni tracciando direttamente l'energia cinetica e l'angolo degli elettroni che volano fuori dal campione di grafene quando sono eccitati da un raggio di raggi X dalla SLA. Uno spettro si sviluppa quando questi elettroni emessi colpiscono lo schermo del rivelatore, costruire gradualmente un'immagine del cono.
Il modo in cui gli elettroni interagiscono nel grafene non drogato è nettamente diverso da quello di un metallo:i lati del cono (o le gambe della X, in uno spettro ARPES) sviluppano una curvatura interna distinta, indicando che le interazioni elettroniche si verificano a un raggio sempre più lungo - distanze fino a 790 angstrom l'una dall'altra - e portano a maggiori velocità degli elettroni. Sono manifestazioni insolite, mai visto prima, di un fenomeno diffuso chiamato "rinormalizzazione".
Esperimento contro teoria
Per comprendere il significato dei risultati del team, aiuta a iniziare con il loro set-up sperimentale. Idealmente, le misurazioni del grafene non drogato verrebbero effettuate con un foglio sospeso di grafene indipendente. Ma molti esperimenti non possono essere fatti a meno che il bersaglio non sia appoggiato su un substrato solido, che possono influenzare le proprietà elettroniche dello strato superficiale e interferire con l'esperimento.
Così Siegel e i suoi colleghi hanno deciso di studiare un tipo speciale di grafene "quasi indipendente", partendo da un substrato di carburo di silicio. Quando riscaldato, il silicio viene espulso dal carburo di silicio e il carbonio si accumula sulla superficie come uno strato di grafite relativamente spesso (il tipo di carbonio nella mina). Ma strati adiacenti di grafene nel campione di grafite spessa vengono ruotati l'uno rispetto all'altro, in modo che ogni livello nella pila si comporti come un singolo livello isolato.
"Nella fisica dello stato solido una delle domande più fondamentali che ci si può porre su un materiale è la natura dei suoi portatori di carica, " dice Siegel. "Per i metalli ordinari, la risposta può essere descritta dalla più potente teoria dei solidi, nota come teoria del liquido di Fermi di Landau, "dopo il fisico sovietico Lev Landau e il fisico italiano e naturalizzato-americano Enrico Fermi.
Mentre i singoli elettroni trasportano la carica - la corrente elettrica in un filo di rame, per esempio - anche in un metallo non possono essere completamente intesi come semplici, particelle indipendenti. Poiché interagiscono costantemente con altre particelle, gli effetti delle interazioni devono essere inclusi; gli elettroni e le interazioni insieme possono essere pensati come "quasiparticelle, " che si comportano in modo molto simile agli elettroni liberi ma con masse e velocità diverse. Queste differenze sono derivate attraverso il processo matematico chiamato rinormalizzazione.
Il liquido di Fermi di Landau è costituito da quasiparticelle. Oltre a descrivere le caratteristiche degli elettroni più le interazioni, I liquidi Fermi hanno una serie di altre proprietà caratteristiche, e nella maggior parte dei materiali la teoria assume generalmente la stessa forma. Ritiene che i portatori di carica siano "vestiti" da interazioni a molti corpi, che servono anche a schermare gli elettroni e prevenire o ridurre le loro interazioni a lunga distanza.
"Poiché le proprietà di così tanti materiali sono praticamente le stesse in modo generalizzato, i fisici sono sempre interessati a trovare sistemi che differiscano da un normale liquido di Fermi, " dice Siegel. "Questo è ciò che rende i nostri risultati così entusiasmanti. Il grafene non drogato è davvero diverso da quello che ci si aspetta da un normale liquido di Fermi, e i nostri risultati sono in buon accordo con i calcoli teorici."
Forse l'esempio più vivido della differenza è l'interazione a lungo raggio tra gli elettroni nel grafene semimetallico, interazioni che sarebbero schermate in un metallo normale. Siegel ammette che potrebbero esserci continue controversie su come si dovrebbe comportare esattamente il grafene, "ma il nostro risultato principale è che abbiamo confermato la presenza di questi non schermati, interazioni a lungo raggio, che modificano in modo fondamentale il comportamento delle quasiparticelle nel grafene."
