Un gruppo di ricerca guidato da fisici dell'Università della California, Riverside ha identificato una proprietà del "grafene a doppio strato" (BLG) che, secondo i ricercatori, è analoga alla scoperta del bosone di Higgs nella fisica delle particelle.

Grafene, il materiale elastico più sottile della natura, è un foglio spesso un atomo di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. A causa della struttura planare e a filo di pollo del grafene, fogli di esso si prestano bene all'impilamento.

Il BLG si forma quando due fogli di grafene vengono impilati in modo speciale. Come il grafene, BLG ha un'elevata capacità di trasporto di corrente, noto anche come alta conducibilità elettronica. L'elevata capacità di trasporto di corrente deriva dalle velocità estremamente elevate che gli elettroni possono acquisire in un foglio di grafene.

I fisici riferiscono online il 22 gennaio in Nanotecnologia della natura che nell'investigare le proprietà di BLG hanno scoperto che quando il numero di elettroni sul foglio BLG è vicino a 0, il materiale diventa isolante (cioè resiste al flusso di corrente elettrica) - una scoperta che ha implicazioni per l'uso del grafene come materiale elettronico nelle industrie dei semiconduttori e dell'elettronica.

"BLG diventa isolante perché i suoi elettroni si organizzano spontaneamente quando il loro numero è piccolo, " ha detto Chun Ning (Jeanie) Lau, un professore associato di fisica e astronomia e l'autore principale del documento di ricerca. "Invece di muoversi a caso, gli elettroni si muovono in modo ordinato. Questo si chiama "rottura spontanea della simmetria" in fisica, ed è un concetto molto importante poiché è lo stesso principio che "dota" di massa per le particelle nella fisica delle alte energie."

Lau ha spiegato che un tipico conduttore ha un numero enorme di elettroni, che si muovono a caso, un po' come una festa con diecimila invitati senza posti assegnati ai tavoli da pranzo. Se la festa ha solo quattro invitati, però, poi gli ospiti dovranno interagire tra loro e sedersi ad un tavolo. Allo stesso modo, quando BLG ha solo pochi elettroni, le interazioni fanno sì che gli elettroni si comportino in modo ordinato.

Nuova particella quantistica

Allan MacDonald, la Sid W. Richardson Foundation Regents Chair nel Dipartimento di Fisica dell'Università del Texas ad Austin e coautore del documento di ricerca, ha notato che il team ha misurato la massa di un nuovo tipo di particella quantistica massiccia che può essere trovata solo all'interno dei cristalli BLG.

"La fisica che conferisce a queste particelle la loro massa è strettamente analoga alla fisica che rende la massa di un protone all'interno di un nucleo atomico molto più grande della massa dei quark da cui è formato, " ha detto. "La particella della nostra squadra è fatta di elettroni, però, non quark."

MacDonald ha spiegato che l'esperimento condotto dal team di ricerca è stato motivato da un lavoro teorico che prevedeva che nuove particelle sarebbero emerse dal mare di elettroni di un cristallo BLG.

"Ora che le particelle tanto attese sono state trovate, futuri esperimenti aiuteranno a risolvere un dibattito teorico in corso sulle loro proprietà, " Egli ha detto.

Applicazioni pratiche

Un'importante scoperta del gruppo di ricerca è che il "gap energetico" intrinseco in BLG cresce con l'aumento del campo magnetico.

Nella fisica dello stato solido, un gap energetico (o band gap) si riferisce a un intervallo di energia in un solido in cui non possono esistere stati di elettroni. In genere, la dimensione del gap energetico di un materiale determina se si tratta di un metallo (nessun gap), semiconduttore (piccolo spazio) o isolante (grande spazio). La presenza di un gap energetico nel silicio è fondamentale per l'industria dei semiconduttori poiché, per applicazioni digitali, gli ingegneri devono attivare il dispositivo "acceso" o conduttivo, e 'spento' o isolante.

Il grafene a strato singolo (SLG) è gapless, però, e non può essere completamente spento perché indipendentemente dal numero di elettroni su SLG, rimane sempre metallico e conduttore.

"Questo è terribilmente svantaggioso dal punto di vista dell'elettronica, " disse Lau, un membro del Center for Nanoscale Science and Engineering della UC Riverside. "BLG, d'altra parte, può infatti essere disattivato. La nostra ricerca è nella fase iniziale, e, attualmente, il band gap è ancora troppo piccolo per le applicazioni pratiche. Ciò che è tremendamente eccitante, tuttavia, è che questo lavoro suggerisce un percorso promettente:grafene a tre strati e grafene a tre strati, che probabilmente avranno gap energetici molto più grandi che possono essere utilizzati per le tecnologie digitali e a infrarossi. Abbiamo già iniziato a lavorare con questi materiali".