(PhysOrg.com) -- Studiando tre strati di grafene -- fogli di atomi di carbonio disposti a nido d'ape -- impilati in un modo particolare, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto un "piccolo universo" popolato da un nuovo tipo di "quasiparticelle" - eccitazioni simili a particelle di carica elettrica. A differenza delle quasiparticelle simili a fotoni senza massa nel grafene a strato singolo, queste nuove quasiparticelle hanno massa, che dipende dalla loro energia (o velocità), e diventerebbe infinitamente massiccio a riposo.

Tale accumulo di massa a basse energie significa questo sistema di grafene a tre strati, se magnetizzato incorporandolo in una eterostruttura con materiale magnetico, potrebbe potenzialmente generare una densità molto maggiore di portatori di carica polarizzati con spin rispetto al grafene a strato singolo, rendendolo molto attraente per una nuova classe di dispositivi basati sul controllo non solo della carica elettrica ma anche dello spin, comunemente noto come spintronica.

“La nostra ricerca mostra che queste quasiparticelle molto insolite, previsto dalla teoria, esistono effettivamente nel grafene a tre strati, e che governano proprietà come il comportamento del materiale in un campo magnetico, una proprietà che potrebbe essere utilizzata per controllare i dispositivi elettronici a base di grafene, ” ha detto il fisico di Brookhaven Igor Zaliznyak, che ha guidato il gruppo di ricerca. Il loro lavoro di misurazione delle proprietà del grafene a tre strati come primo passo verso l'ingegneria di tali dispositivi è stato pubblicato online in Fisica della natura il 25 settembre, 2011.

Il grafene è stato oggetto di intense ricerche sin dalla sua scoperta nel 2004, in particolare a causa del comportamento insolito dei suoi elettroni, che scorrono liberamente in piano, fogli monostrato della sostanza. L'impilamento degli strati cambia il modo in cui fluiscono gli elettroni:l'impilamento di due strati, Per esempio, fornisce un'interruzione "sintonizzabile" nei livelli di energia che gli elettroni possono occupare, dando così agli scienziati un modo per accendere e spegnere la corrente. Ciò apre la possibilità di incorporare la sostanza poco costosa in nuovi tipi di elettronica.

Con tre strati, la situazione si complica, gli scienziati hanno scoperto, ma anche potenzialmente più potente.

Una variabile importante è il modo in cui gli strati sono impilati:nei sistemi "ABA", gli atomi di carbonio che compongono gli anelli a nido d'ape sono direttamente allineati negli strati superiore e inferiore (A) mentre quelli nello strato intermedio (B) sono sfalsati; nelle varianti “ABC”, i favi in ​​ogni strato impilato sono sfalsati, salire strato dopo strato come una scala. Finora, L'accatastamento ABC sembra dare origine a comportamenti più interessanti, come quelli oggetto del presente studio.

Per questo studio, gli scienziati hanno creato il grafene a tre strati presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) del Brookhaven Lab, staccandolo dalla grafite, la forma del carbonio che si trova nella mina delle matite. Hanno usato la microscopia microRaman per mappare i campioni e identificare quelli con tre strati impilati nella disposizione ABC. Quindi hanno usato gli strumenti di nanolitografia del CFN, compresa la fresatura a fascio ionico, modellare i campioni in un modo particolare in modo che possano essere collegati agli elettrodi per le misurazioni.

Presso il National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) di Tallahassee, Florida, gli scienziati hanno quindi studiato le proprietà elettroniche del materiale, in particolare l'effetto di un campo magnetico esterno sul trasporto di carica elettronica in funzione della densità dei portatori di carica, intensità del campo magnetico, e temperatura.

“In definitiva, il successo di questo progetto si è basato sul duro lavoro e sulla rara abilità sperimentale di giovani ricercatori di talento con i quali ci siamo impegnati in questi studi, in particolare, Liyuan Zhang, che all'epoca era ricercatore associato a Brookhaven, e Yan Zhang, poi uno studente laureato alla Stony Brook University, ", ha detto Igor Zaliznyak.

Le misurazioni forniscono la prima evidenza sperimentale dell'esistenza di un particolare tipo di quasiparticella, o eccitazione elettronica che agisce come una particella e funge da portatore di carica nel sistema di grafene a tre strati. Queste particolari quasiparticelle, che sono stati previsti da studi teorici, hanno una massa mal definita, cioè si comportano come se avessero una gamma di masse - e quelle masse divergono quando il livello di energia diminuisce con le quasiparticelle che diventano infinitamente massicce.

Normalmente tali particelle sarebbero instabili e non potrebbero esistere a causa delle interazioni con coppie virtuali di particelle-buca, simili alle coppie virtuali di elettroni e positroni di carica opposta, che si annullano quando interagiscono. Ma una proprietà delle quasiparticelle chiamata chiralità, che è legato a un sapore speciale di spin nei sistemi di grafene, impedisce che le quasiparticelle vengano distrutte da queste interazioni. Quindi queste particelle esotiche infinitamente massicce possono esistere.

“Questi risultati forniscono una convalida sperimentale per l'ampio corpo di recenti lavori teorici sul grafene, e scoprire nuove eccitanti possibilità per studi futuri volti a utilizzare le proprietà esotiche di queste quasiparticelle, ” ha detto Zaliznyak.

Per esempio, la combinazione di materiali magnetici con grafene a tre strati potrebbe allineare gli spin delle quasiparticelle portatrici di carica. “Riteniamo che tali eterostrutture grafene-magnete con portatori di carica spin-polarizzati potrebbero portare a reali scoperte nel campo della spintronica, ” ha detto Zaliznyak.