Questa immagine mostra il professor Donhee Ham e il suo studente Hosang Yoon nel laboratorio della Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Credito:Eliza Grinnell, mari di Harvard.
(Phys.org)—I singoli elettroni nel grafene sono privi di massa, ma quando si muovono insieme, è una storia diversa. Grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, ha preso d'assalto il mondo della fisica, in parte, perché i suoi elettroni si comportano come particelle prive di massa. Eppure questi elettroni sembrano avere una doppia personalità. I fenomeni osservati nel campo della plasmonica del grafene suggeriscono che quando gli elettroni si muovono collettivamente, devono esibire massa.
Dopo due anni di sforzi, ricercatori guidati da Donhee Ham, Gordon McKay Professore di Ingegneria Elettrica e Fisica Applicata presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), e il suo allievo Hosang Yoon, Ph.D.'14, hanno misurato con successo la massa collettiva degli elettroni "senza massa" in movimento nel grafene.
Facendo luce sulle proprietà cinetiche fondamentali degli elettroni nel grafene, questa ricerca può anche fornire una base per la creazione di circuiti miniaturizzati con minuscoli, componenti a base di grafene.
I risultati delle complesse misurazioni di Ham e Yoon, eseguita in collaborazione con altri esperti della Columbia University e del National Institute for Materials Science in Giappone, sono stati pubblicati online in Nanotecnologia della natura .
"Il grafene è un materiale unico perché, effettivamente, i singoli elettroni di grafene si comportano come se non avessero massa. Ciò significa che i singoli elettroni si muovono sempre a velocità costante, " spiega Ham. "Ma supponiamo di applicare una forza, come un campo elettrico. La velocità dei singoli elettroni rimane ancora costante, ma collettivamente, accelerano e la loro energia totale aumenta, proprio come le entità con massa. È piuttosto interessante".
Senza questa massa, il campo della plasmonica del grafene non può funzionare, quindi la squadra di Ham sapeva che doveva essere lì, ma fino ad ora, nessuno l'aveva misurato con precisione.
Viene mostrato uno schema del setup sperimentale. Ham e Yoon hanno misurato il cambiamento di fase di un segnale a microonde inviato attraverso il grafene. Credito:Hosang Yoon, mari di Harvard.
"Uno dei maggiori contributi di questo lavoro è che si tratta in realtà di una misurazione estremamente difficile, "dice Ham.
Come detta la seconda legge di Newton, una forza applicata ad una massa deve generare accelerazione. Yoon e Ham sapevano che se potevano applicare un campo elettrico a un campione di grafene e misurare l'accelerazione collettiva risultante degli elettroni, potrebbero quindi utilizzare quei dati per calcolare la massa collettiva.
Ma i campioni di grafene utilizzati negli esperimenti passati erano pieni di imperfezioni e impurità, luoghi in cui mancava un atomo di carbonio o era stato sostituito da qualcosa di diverso. In quegli esperimenti passati, gli elettroni accelererebbero ma si disperderebbero molto rapidamente mentre entravano in collisione con le impurità e le imperfezioni.
"Il tempo di dispersione era così breve in quegli studi che non si poteva mai vedere direttamente l'accelerazione, "dice Ham.
Per superare il problema della dispersione, erano necessari diversi cambiamenti intelligenti.
Primo, Ham e Yoon hanno unito le forze con Philip Kim, un professore di fisica alla Columbia che entrerà a far parte della facoltà di Harvard il 1° luglio come Professore di Fisica e di Fisica Applicata. Laureato ad Harvard (Ph.D. '99), Kim è ben noto per i suoi studi fondamentali pionieristici sul grafene e la sua esperienza nella fabbricazione di campioni di grafene di alta qualità. Il team è stato ora in grado di ridurre il numero di impurità e imperfezioni inserendo il grafene tra strati di nitruro di boro esagonale, un materiale isolante con una struttura atomica simile. Collaborando anche con James Hone, un professore di ingegneria meccanica alla Columbia, hanno progettato un modo migliore per collegare le linee del segnale elettrico al grafene inserito. E Yoon e Ham hanno applicato un campo elettrico alla frequenza delle microonde, che consente la misura diretta dell'accelerazione collettiva degli elettroni sotto forma di un ritardo di fase nella corrente.
"Facendo tutto questo, abbiamo tradotto la situazione da completamente impossibile a essere sul punto di vedere o meno l'accelerazione, " dice Ham. "Tuttavia, la difficoltà era ancora molto scoraggiante, e Hosang [Yoon] ha reso tutto possibile eseguendo ingegneria e misurazioni a microonde molto sottili e sottili, un formidabile pezzo di sperimentazione".
"Per me, è stato un momento vittorioso che ha finalmente giustificato uno sforzo a lungo termine, passando attraverso più tentativi ed errori, "dice Yoon, autore principale dell'articolo in Nanotecnologia della natura . "Fino ad allora, Non ero nemmeno sicuro che l'esperimento fosse davvero possibile, quindi è stato come un momento "attraverso l'oscurità arriva la luce".
La massa collettiva è un aspetto chiave per spiegare i comportamenti plasmonici nel grafene. Dimostrando che gli elettroni di grafene mostrano una massa collettiva e misurandone accuratamente il valore, Yoon dice, "Pensiamo che aiuterà le persone a comprendere e progettare dispositivi plasmonici più sofisticati con il grafene".
Gli esperimenti del team hanno anche rivelato che, nel grafene, l'induttanza cinetica (la manifestazione elettrica della massa collettiva) è di diversi ordini di grandezza più grande di un'altra, proprietà molto più comunemente sfruttata chiamata induttanza magnetica. Questo è importante nella spinta verso circuiti elettronici sempre più piccoli, il tema principale dei moderni circuiti integrati, perché significa che lo stesso livello di induttanza può essere raggiunto in un'area molto più piccola. Per di più, Ham e Yoon affermano che questo induttore cinetico in miniatura a base di grafene potrebbe consentire la creazione di un induttore a stato solido controllato in tensione, complementare al condensatore controllato in tensione ampiamente utilizzato. Potrebbe essere utilizzato per aumentare sostanzialmente la gamma di sintonizzazione della frequenza dei circuiti elettronici, che è una funzione importante nelle applicazioni di comunicazione.
Per adesso, la sfida rimane quella di migliorare la qualità dei campioni di grafene in modo che gli effetti dannosi della diffusione degli elettroni possano essere ulteriormente ridotti.
