I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto una nuova svolta unica nella storia del grafene, fogli di puro carbonio spessi un solo atomo, e nel processo sembra aver risolto un mistero che ha frenato lo sviluppo del dispositivo.

Gli elettroni possono attraversare il grafene quasi alla velocità della luce, 100 volte più veloce di quanto si muovano attraverso il silicio. Oltre ad essere supersottile e superveloce quando si tratta di condurre elettroni, il grafene è anche superforte e superflessibile, rendendolo un potenziale materiale superstar nei campi dell'elettronica e della fotonica, la base per una serie di dispositivi, a partire dai transistor ultraveloci. Un grosso problema, però, è stato che la conduzione degli elettroni del grafene non può essere completamente interrotta, un requisito essenziale per i dispositivi on/off.

Il problema on/off deriva dai monostrati di grafene che non hanno bandgap – intervalli di energia in cui non possono esistere stati di elettroni. Senza una banda proibita, non c'è modo di controllare o modulare la corrente di elettroni e quindi non c'è modo di realizzare appieno l'enorme promessa del grafene nei dispositivi elettronici e fotonici. I ricercatori del Berkeley Lab sono stati in grado di progettare bande proibite controllate con precisione nel grafene a doppio strato attraverso l'applicazione di un campo elettrico esterno. Però, quando i dispositivi sono stati realizzati con questi bandgap ingegnerizzati, i dispositivi si sono comportati in modo strano, come se la conduzione in quelle lacune non fosse stata interrotta. Il motivo per cui tali dispositivi non hanno funzionato è stato fino ad ora un mistero scientifico.

Lavorando all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, una struttura nazionale per gli utenti DOE, un gruppo di ricerca guidato dallo scienziato della SLA Aaron Bostwick ha scoperto che nell'impilamento dei monostrati di grafene si verificano sottili disallineamenti, creando una torsione quasi impercettibile nel grafene a doppio strato finale. Per quanto minuscolo, fino a 0,1 gradi, questa svolta può portare a cambiamenti sorprendentemente forti nelle proprietà elettroniche del grafene a doppio strato.

"L'introduzione del twist genera una struttura elettronica completamente nuova nel grafene a doppio strato che produce fermioni di Dirac massicci e privi di massa, " dice Bostwick. "Il ramo fermionico di Dirac senza massa prodotto da questa nuova struttura impedisce al grafene a doppio strato di diventare completamente isolante anche sotto un campo elettrico molto forte. Questo spiega perché il grafene a doppio strato non è stato all'altezza delle previsioni teoriche nei dispositivi reali basati su grafene a doppio strato perfetto o non attorcigliato".

Bostwick è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Materiali della natura intitolato "Coesistenti fermioni di Dirac massicci e senza massa nel grafene a doppio strato rotto dalla simmetria". Keun Su Kim del Fritz Haber Institute di Berlino è l'autore principale Altri coautori sono Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Corno di Karsten, ed Eli Rotenberg, che sovrintende alla ricerca presso ALS Beamline 7.0.1.

I monostrati di grafene non hanno bande proibite, intervalli di energia in cui non possono esistere stati di elettroni. Senza una banda proibita, non c'è modo di controllare o modulare la corrente di elettroni e quindi non c'è modo di realizzare appieno l'enorme promessa del grafene nei dispositivi elettronici e fotonici. I ricercatori del Berkeley Lab sono stati in grado di progettare bande proibite controllate con precisione nel grafene a doppio strato attraverso l'applicazione di un campo elettrico esterno. Però, quando i dispositivi sono stati realizzati con questi bandgap ingegnerizzati, i dispositivi si sono comportati in modo strano, come se la conduzione in quelle lacune non fosse stata interrotta.

Per andare a fondo di questo mistero, Rotenberg, Boston, Kim e i loro coautori hanno eseguito una serie di esperimenti di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) presso la linea di luce ALS 7.0.1. ARPES è una tecnica per lo studio degli stati elettronici di un materiale solido in cui un fascio di fotoni di raggi X che colpisce la superficie del materiale provoca la fotoemissione di elettroni. L'energia cinetica di questi fotoelettroni e gli angoli ai quali vengono espulsi vengono quindi misurati per ottenere uno spettro elettronico.

"La combinazione di ARPES e Beamline 7.0.1 ci ha permesso di identificare facilmente lo spettro elettronico dalla torsione nel grafene a doppio strato, " dice Rotenberg. "Lo spettro che abbiamo osservato era molto diverso da quello che è stato ipotizzato e contiene rami extra costituiti da fermioni di Dirac senza massa. Questi nuovi fermioni di Dirac senza massa si muovono in un modo completamente inaspettato governato dagli strati attorcigliati di simmetria".

Fermioni di Dirac senza massa, elettroni che essenzialmente si comportano come se fossero fotoni, non sono soggetti agli stessi vincoli di bandgap degli elettroni convenzionali. nella loro Materiali della natura carta, gli autori affermano che le torsioni che generano questo spettro fermionico di Dirac senza massa possono essere quasi inevitabili nella produzione del grafene a doppio strato e possono essere introdotte come risultato di soli dieci disadattamenti atomici in un micron quadrato di grafene a doppio strato.

"Ora che abbiamo capito il problema, possiamo cercare soluzioni, ", afferma l'autore principale Kim. "Ad esempio, possiamo provare a sviluppare tecniche di fabbricazione che minimizzino gli effetti di torsione, o ridurre le dimensioni del grafene a doppio strato che produciamo in modo da avere maggiori possibilità di produrre materiale localmente puro".

Oltre a risolvere un mistero del grafene a doppio strato, Kim e i suoi colleghi affermano che la scoperta della torsione stabilisce un nuovo quadro su cui possono essere previste più accuratamente varie proprietà fondamentali del grafene a doppio strato.

"Una lezione appresa qui è che anche una così piccola distorsione strutturale dei materiali su scala atomica non dovrebbe essere ignorata nel descrivere le proprietà elettroniche di questi materiali in modo completo e accurato, " dice Kim.