I ricercatori della Stanford University e dello SLAC National Accelerator Laboratory hanno creato il primo sistema in assoluto di "elettroni di design", varianti esotiche di elettroni ordinari con proprietà sintonizzabili che potrebbero portare a nuovi tipi di materiali e dispositivi.

"Il comportamento degli elettroni nei materiali è essenzialmente al centro di tutte le tecnologie odierne, " disse Hari Manoharan, professore associato di fisica a Stanford e membro dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences dello SLAC, che ha condotto la ricerca. "Ora siamo in grado di mettere a punto le proprietà fondamentali degli elettroni in modo che si comportino in modi raramente visti nei materiali ordinari".

I loro primi esempi, segnalato oggi in Natura , erano fatti a mano, strutture a nido d'ape ispirate al grafene, una forma pura di carbonio che è stata ampiamente annunciata per il suo potenziale nell'elettronica futura. Inizialmente, gli elettroni in questa struttura avevano proprietà simili al grafene; Per esempio, a differenza degli elettroni ordinari, non avevano massa e viaggiavano come se si muovessero alla velocità della luce nel vuoto. Ma i ricercatori sono stati poi in grado di sintonizzare questi elettroni in modi che sono difficili da fare nel vero grafene.

Per realizzare la struttura, che Manoharan chiama grafene molecolare, gli scienziati utilizzano un microscopio a effetto tunnel per posizionare singole molecole di monossido di carbonio su una superficie di rame perfettamente liscia. Il monossido di carbonio respinge gli elettroni che scorrono liberamente sulla superficie del rame e li costringe a formare uno schema a nido d'ape, dove si comportano come elettroni di grafene.

Per regolare le proprietà degli elettroni, i ricercatori hanno riposizionato le molecole di monossido di carbonio sulla superficie; questo ha cambiato la simmetria del flusso di elettroni. In alcune configurazioni, gli elettroni agivano come se fossero stati esposti a un campo magnetico o elettrico. In altri, i ricercatori sono stati in grado di regolare con precisione la densità degli elettroni sulla superficie introducendo difetti o impurità. Scrivendo modelli complessi che imitavano i cambiamenti nelle lunghezze e nei punti di forza dei legami carbonio-carbonio nel grafene, i ricercatori sono stati in grado di ripristinare la massa degli elettroni in piccoli, aree selezionate.

"Una delle cose più folli che abbiamo fatto è stata far credere agli elettroni di trovarsi in un enorme campo magnetico quando, infatti, nessun campo reale era stato applicato, " Ha detto Manoharan. Guidato dalla teoria sviluppata dal coautore Francisco Guinea di Spagna, il team di Stanford ha calcolato le posizioni in cui dovrebbero trovarsi gli atomi di carbonio nel grafene per far credere ai suoi elettroni di essere stati esposti a campi magnetici che vanno da zero a 60 Tesla, oltre il 30% in più rispetto al campo magnetico continuo più forte mai raggiunto sulla Terra. I ricercatori hanno quindi spostato le molecole di monossido di carbonio per guidare gli elettroni proprio in quelle posizioni, e gli elettroni hanno risposto comportandosi esattamente come previsto, come se fossero stati esposti a un campo reale.

"Il nostro nuovo approccio è un nuovo potente banco di prova per la fisica, " Ha detto Manoharan. "Il grafene molecolare è solo il primo di una serie di possibili strutture di design. Ci aspettiamo che la nostra ricerca alla fine identificherà nuovi materiali su scala nanometrica con proprietà elettroniche utili".