Questo topografo STM ingrandito mostra uno dei trimeri di cobalto posti sul grafene per la creazione di potenziali di Coulomb - impurezze cariche - a cui potrebbero rispondere elettroni e lacune. (Immagine per gentile concessione del gruppo Crommie)
(Phys.org) -- Forse nessun altro materiale sta generando tanto entusiasmo nel mondo dell'elettronica quanto il grafene, fogli di carbonio puro dello spessore di un solo atomo attraverso i quali gli elettroni possono correre quasi alla velocità della luce, 100 volte più veloce di quanto si muovano attraverso il silicio. Supersottile, fortissimo, superflessibile e superveloce come conduttore elettrico, il grafene è stato pubblicizzato come un potenziale materiale meraviglioso per una serie di applicazioni elettroniche, a partire dai transistor ultraveloci. Affinché il vasto potenziale del grafene possa essere pienamente realizzato, però, gli scienziati devono prima saperne di più su ciò che rende il grafene così eccezionale. L'ultimo passo in questa direzione è stato compiuto dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Università della California Berkeley.
Michael Cromie, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di fisica dell'UC Berkeley, ha condotto uno studio in cui sono state registrate le prime osservazioni dirette a lunghezze microscopiche di come gli elettroni e le lacune rispondono a un'impurità carica - un singolo potenziale di Coulomb - posto su un dispositivo di grafene con cancello. I risultati forniscono un supporto sperimentale alla teoria secondo cui le interazioni tra gli elettroni sono fondamentali per le straordinarie proprietà del grafene.
“Abbiamo dimostrato che gli elettroni nel grafene si comportano in modo molto diverso attorno alle impurità cariche rispetto agli elettroni in altri materiali, "Crommie dice. “Alcuni ricercatori hanno sostenuto che le interazioni elettrone-elettrone non sono importanti per le proprietà intrinseche del grafene, mentre altri hanno sostenuto che lo sono. Le nostre immagini per la prima volta di come gli elettroni ultrarelativistici si riorganizzano in risposta a un potenziale di Coulomb scendono dal lato delle interazioni elettrone-elettrone essendo un fattore importante.
Crommie è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo studio pubblicato sulla rivista Nature Physics. Il documento è intitolato "Mappatura di quasiparticelle di Dirac vicino a una singola impurità di Coulomb sul grafene". Victor Bra, Andrey Shytov, Qiong Wu, William Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl e Leonid Levitov.
I fogli di grafene sono composti da atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale bidimensionale, come un favo. Gli elettroni che si muovono attraverso questo reticolo a nido d'ape imitano perfettamente il comportamento atteso di particelle cariche altamente relativistiche senza massa:pensa a un raggio di luce che è caricato elettricamente. Poiché questo è lo stesso comportamento mostrato dagli elettroni liberi altamente relativistici, portatori di carica nel grafene sono indicati come "quasiparticelle di Dirac, ” dopo Paul Dirac, lo scienziato che per primo descrisse il comportamento dei fermioni relativistici nel 1928.
È stato osservato che la risposta degli elettroni ultrarelativistici nel grafene ai potenziali di Coulomb creati dai trimeri di cobalto è significativamente diversa dalla risposta degli elettroni non relativistici nei tradizionali sistemi atomici e di impurità. (Immagine per gentile concessione del gruppo Crommie)
“Nel grafene, gli elettroni si comportano come fermioni di Dirac senza massa, "Crommie dice. “Come tale, si prevede che la risposta di questi elettroni a un potenziale di Coulomb differisca significativamente da come si comportano gli elettroni non relativistici nei tradizionali sistemi atomici e di impurità. Però, fino ad ora, molte previsioni teoriche chiave per questo sistema ultra-relativistico non erano state testate”.
Lavorando con un microscopio a effetto tunnel (STM) appositamente attrezzato in ultra alto vuoto, Crommie e i suoi colleghi hanno sondato dispositivi gated costituiti da uno strato di grafene depositato sopra scaglie di nitruro di boro che sono state a loro volta posizionate su un substrato di biossido di silicio, il più comune dei substrati semiconduttori.
"L'uso del nitruro di boro ha ridotto significativamente la disomogeneità di carica del grafene, permettendoci così di sondare la risposta elettronica intrinseca del grafene alle singole impurità cariche, "Crommie dice. In questo studio, le impurità cariche erano trimeri di cobalto costruiti su grafene manipolando atomicamente monomeri di cobalto con la punta di un STM.
L'STM utilizzato per fabbricare i trimeri di cobalto è stato utilizzato anche per mappare (attraverso la variazione spaziale nella struttura elettronica del grafene) la risposta delle quasiparticelle di Dirac – sia simili a elettroni che a lacune – al potenziale di Coulomb creato dai trimeri. Il confronto dell'asimmetria elettrone-lacuna osservata con le simulazioni teoriche ha permesso al team di ricerca non solo di testare le previsioni teoriche su come si comportano i fermioni di Dirac vicino a un potenziale di Coulomb, ma anche per estrarre la costante dielettrica del grafene.
“I teorici hanno previsto che rispetto ad altri materiali, gli elettroni nel grafene vengono trascinati in un'impurità carica positivamente o troppo debolmente, il regime subcritico; o troppo forte, il regime supercritico, "Crommie dice. “Nel nostro studio, abbiamo verificato le previsioni per il regime subcritico e abbiamo scoperto che il valore del dielettrico è sufficientemente piccolo da indicare che le interazioni elettrone-elettrone contribuiscono in modo significativo alle proprietà del grafene. Questa informazione è fondamentale per la nostra comprensione di come gli elettroni si muovono attraverso il grafene”.
