Gli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno studiato per la prima volta la dinamica degli elettroni del grafene "materiale meraviglioso" in un campo magnetico. Ciò ha portato alla scoperta di un fenomeno apparentemente paradossale nel materiale. La sua comprensione potrebbe rendere possibile in futuro un nuovo tipo di laser. Insieme ai ricercatori di Berlino, Francia, la Repubblica Ceca e gli Stati Uniti, gli scienziati hanno descritto con precisione le loro osservazioni in un modello e ora hanno pubblicato le loro scoperte sulla rivista scientifica Fisica della natura .

Il grafene è considerato un "materiale meraviglioso":il suo carico di rottura è superiore a quello dell'acciaio e conduce elettricità e calore in modo più efficace del rame. Essendo una struttura bidimensionale costituita da un solo strato di atomi di carbonio, è anche flessibile, quasi trasparente e circa un milione di volte più sottile di un foglio di carta. Per di più, poco dopo la sua scoperta dieci anni fa, gli scienziati hanno riconosciuto che gli stati energetici del grafene in un campo magnetico - noti come livelli di Landau - si comportano diversamente da quelli dei semiconduttori. "Sono stati scoperti molti effetti affascinanti con il grafene nei campi magnetici, ma la dinamica degli elettroni non è mai stata studiata in un sistema del genere fino ad ora, " spiega il fisico Dr. Stephan Winnerl di HZDR.

I ricercatori dell'HZDR hanno esposto il grafene a un campo magnetico di quattro Tesla, quaranta volte più forte di un magnete a ferro di cavallo. Di conseguenza, gli elettroni nel grafene occupano solo determinati stati energetici. Le particelle cariche negativamente sono state virtualmente forzate sui binari. Questi livelli di energia sono stati quindi esaminati con impulsi di luce laser a elettroni liberi all'HZDR. "L'impulso laser eccita gli elettroni fino a un certo livello di Landau. Un impulso temporalmente ritardato poi sonda come si evolve il sistema, " spiega Martin Mittendorff, dottorando presso l'HZDR e primo autore del paper.

La ridistribuzione degli elettroni sorprende gli scienziati

Il risultato degli esperimenti ha stupito i ricercatori. Questo particolare livello di energia, in cui sono stati pompati nuovi elettroni usando il laser, svuotato gradualmente. Winnerl illustra questo effetto paradossale usando un esempio quotidiano:"Immagina una bibliotecaria che ordina i libri su uno scaffale con tre ripiani. Mette un libro alla volta dallo scaffale inferiore allo scaffale centrale. Suo figlio sta simultaneamente 'aiutando' prendendo due libri dallo scaffale di mezzo, mettendone uno sul ripiano più alto, l'altro in basso. Il figlio è molto impaziente e ora il numero di libri sullo scaffale centrale diminuisce, anche se questo è proprio lo scaffale che sua madre desidera riempire».

Poiché prima non c'erano né esperimenti né teorie riguardo a tali dinamiche, i fisici di Dresda inizialmente avevano difficoltà a interpretare correttamente i segnali. Dopo una serie di tentativi, però, hanno trovato una spiegazione:le collisioni tra gli elettroni causano questo insolito riarrangiamento. "Questo effetto è noto da tempo come dispersione Auger, ma nessuno si aspettava che sarebbe stato così forte e avrebbe causato l'esaurimento di un livello di energia, " spiega Winner.

Questa nuova scoperta potrebbe essere utilizzata in futuro per sviluppare un laser in grado di produrre luce con lunghezze d'onda arbitrariamente regolabili nelle gamme dell'infrarosso e dei terahertz. "Un simile laser a livello di Landau è stato a lungo considerato impossibile, ma ora con il grafene questo sogno dei fisici dei semiconduttori potrebbe diventare realtà, " dice Winnerl con entusiasmo.

I ricercatori di Berlino calcolano un modello complesso per gli esperimenti di Dresda

Dopo che il modello fondamentale utilizzato negli esperimenti aveva funzionato in modo soddisfacente, seguì il preciso lavoro teorico, che è stato svolto presso l'Università tecnica di Berlino. Gli scienziati di Berlino Ermin Malic e Andreas Knorr hanno confermato, utilizzando calcoli complessi, le ipotesi del gruppo di Dresda e ha fornito approfondimenti dettagliati sui meccanismi sottostanti. I ricercatori dell'HZDR hanno inoltre collaborato con il laboratorio francese ad alto campo magnetico di Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), la Charles University di Praga e il Georgia Institute of Technology di Atlanta (USA).