(Phys.org) — Il grafene è diventato un materiale meraviglioso per tutti gli usi, spronando eserciti di ricercatori a esplorare nuove possibilità per questo reticolo bidimensionale di carbonio puro. Ma una nuova ricerca al MIT ha scoperto un ulteriore potenziale per il materiale scoprendo caratteristiche inaspettate che si manifestano in alcune condizioni estreme, caratteristiche che potrebbero rendere il grafene adatto per usi esotici come l'informatica quantistica.

La ricerca è pubblicata questa settimana sulla rivista Natura , in un articolo dei professori Pablo Jarillo-Herrero e Ray Ashoori, postdoc Andrea Young e Ben Hunt, studente laureato Javier Sanchez-Yamaguchi, e altri tre. Sotto un campo magnetico estremamente potente e a temperatura estremamente bassa, i ricercatori hanno scoperto, il grafene può filtrare efficacemente gli elettroni in base alla direzione del loro spin, qualcosa che non può essere fatto da nessun sistema elettronico convenzionale.

In condizioni tipiche, fogli di grafene si comportano come normali conduttori:applicare una tensione, e la corrente scorre attraverso il fiocco bidimensionale. Se accendi un campo magnetico perpendicolare al fiocco di grafene, però, il comportamento cambia:la corrente scorre solo lungo il bordo, mentre il grosso rimane isolante. Inoltre, questa corrente scorre solo in una direzione, in senso orario o antiorario, a seconda dell'orientamento del campo magnetico, in un fenomeno noto come effetto Hall quantistico.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno scoperto che se applicassero un secondo potente campo magnetico, questa volta sullo stesso piano del fiocco di grafene, il comportamento del materiale cambia ancora:gli elettroni possono muoversi attorno al bordo conduttore in entrambe le direzioni, con gli elettroni che hanno un tipo di spin si muovono in senso orario mentre quelli con spin opposto si muovono in senso antiorario.

"Abbiamo creato un insolito tipo di conduttore lungo il bordo, "dice Giovani, un Pappalardo Postdoctoral Fellow nel dipartimento di fisica del MIT e autore principale dell'articolo, "praticamente un filo unidimensionale". La segregazione degli elettroni secondo lo spin è "una caratteristica normale degli isolanti topologici, " lui dice, "ma il grafene non è normalmente un isolante topologico. Stiamo ottenendo lo stesso effetto in un sistema materiale molto diverso".

Cosa c'è di più, variando il campo magnetico, "possiamo attivare e disattivare questi stati limite, " dice Young. Questa capacità di commutazione significa che, in linea di principio, "possiamo realizzare circuiti e transistor con questi, " lui dice, che non è stato realizzato prima in isolatori topologici convenzionali.

C'è un altro vantaggio di questa selettività di rotazione, Young dice:Previene un fenomeno chiamato "backscattering, " che potrebbe disturbare il movimento degli elettroni. Di conseguenza, le imperfezioni che normalmente rovinerebbero le proprietà elettroniche del materiale hanno scarso effetto. "Anche se i bordi sono 'sporchi, ' gli elettroni vengono trasmessi lungo questo bordo quasi perfettamente, " lui dice.

Jarillo Herrero, il Mitsui Career Development Associate Professor of Physics al MIT, dice che il comportamento visto in questi fiocchi di grafene era previsto, ma mai visto prima. Questo lavoro, lui dice, è la prima volta che tale comportamento selettivo per lo spin è stato dimostrato in un singolo foglio di grafene, e anche la prima volta che qualcuno ha dimostrato la capacità "di transizione tra questi due regimi".

Ciò potrebbe alla fine portare a un nuovo modo di creare una sorta di computer quantistico, Jarillo-Herrero dice, qualcosa che i ricercatori hanno cercato di fare, senza successo, per decenni. Ma a causa delle condizioni estreme richieste, Giovane dice, "questa sarebbe una macchina molto specializzata" utilizzata solo per compiti computazionali ad alta priorità, come nei laboratori nazionali.

Ashoori, un professore di fisica, sottolinea che gli stati limite appena scoperti hanno una serie di proprietà sorprendenti. Per esempio, sebbene l'oro sia un conduttore elettrico eccezionalmente buono, quando si aggiungono tocchi d'oro al bordo dei fiocchi di grafene, fanno aumentare la resistenza elettrica. I tocchi d'oro consentono agli elettroni di retrocedere nello stato di viaggio opposto mescolando gli spin degli elettroni; più oro si aggiunge, più aumenta la resistenza.

Questa ricerca rappresenta "una nuova direzione" negli isolanti topologici, dice il giovane. "Non sappiamo davvero a cosa potrebbe portare, ma apre la nostra riflessione sul tipo di dispositivi elettrici che possiamo realizzare".

Gli esperimenti richiedevano l'uso di un campo magnetico con una forza di 35 tesla, "circa 10 volte di più rispetto a una macchina per la risonanza magnetica, " dice Jarillo-Herrero—e una temperatura di appena 0,3 gradi Celsius sopra lo zero assoluto. Tuttavia, il team sta già cercando modi per osservare un effetto simile a campi magnetici di un solo tesla, simile a un forte magnete da cucina, e a temperature più elevate.

Filippo Kim, un professore di fisica alla Columbia University che non era coinvolto in questo lavoro, dice, "Gli autori qui hanno magnificamente dimostrato un'eccellente quantizzazione della conduttanza, " come previsto dalla teoria. Aggiunge, "Questo è un lavoro molto carino che può collegare la fisica dell'isolante topologico alla fisica del grafene con le interazioni. Questo lavoro è un buon esempio di come i due argomenti più popolari nella fisica della materia condensata siano collegati tra loro".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.