La ricerca degli scienziati collegati al Graphene Flagship della CE ha rivelato una fase superfluida nei materiali 2D a temperatura ultrabassa, creando il potenziale per dispositivi elettronici che dissipano pochissima energia.

A scala atomica e molecolare, il mondo può essere un posto molto strano, con le nozioni quotidiane di temperatura, energia e coerenza fisica gettate allo sbando. Con la realtà a livello quantistico dobbiamo parlare di probabilità e probabilità statistiche piuttosto che di semplice causa ed effetto della palla da biliardo.

Prendi il concetto di superfluidità, uno stato ultrafreddo in cui la materia agisce come un fluido con viscosità zero. Puoi pensare alla superfluidità come a un analogo termodinamico generalizzato della più comunemente intesa superconduttività elettrica, per cui gli elettroni si muovono attraverso i materiali senza resistenza e perdita di energia.

La superfluidità è stata scoperta per la prima volta nell'elio liquido, a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, ma il fenomeno è evidente su scale che vanno dall'atomico al cosmico. È legato allo stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein, in cui una grande frazione delle particelle nella materia sfusa occupa lo stato di energia quantistica più basso. Le particelle, che a temperature più elevate si muovono in modo casuale, moda casuale, può in questo modo comportarsi come un tutto coerente o almeno quasi coerente, portando così gli effetti quantomeccanici nella visibilità macroscopica.

Fisica affascinante anche se un po' esoterica può essere, ma c'è un lato pratico della superfluidità e della condensazione di Bose-Einstein. Per prima cosa ha implicazioni per il comportamento dei dispositivi elettronici, anche se specialistiche operanti a temperature ultra-basse. A tal fine, un gruppo di ricercatori associati al Graphene Flagship europeo ha studiato le proprietà degli elettroni che si muovono in strutture bidimensionali formate da grafene e arseniuro di gallio.

Il grafene è carbonio cristallino disposto in trasparente, strati dello spessore di un singolo atomo, con gli atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape. Il più noto delle centinaia di materiali bidimensionali scoperti fino ad oggi, il grafene ha un numero di componenti elettrici unici, proprietà meccaniche e di altro tipo che gli conferiscono un enorme potenziale per applicazioni che vanno dall'elettronica alle strutture super resistenti.

Concentrandosi sulle misurazioni della resistenza di Coulomb - l'accoppiamento per attrito tra correnti elettriche in conduttori spazialmente separati - i ricercatori della Graphene Flagship, guidato da Marco Polini dell'Istituto di Nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche e della Scuola Normale Superiore di Pisa, Italia, Vittorio Pellegrini, presso i Graphene Labs dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, e Andrea Ferrari del Cambridge Graphene Centre, hanno scoperto che la resistività di resistenza aumenta notevolmente a temperature inferiori a circa 5 Kelvin (-268,15 gradi Celsius). Questo è un risultato inaspettato, allontanandosi dalla consueta dipendenza dalla temperatura mostrata nei liquidi di Fermi debolmente correlati:un modello teorico che descrive il comportamento della maggior parte dei materiali elettricamente conduttivi a temperature ultra basse.

In un articolo pubblicato di recente sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il cui primo autore è Andrea Gamucci, i ricercatori riferiscono di una nuova classe di strutture elettroniche composte in cui il grafene a uno o due strati è posto in prossimità di un pozzo quantico realizzato con arseniuro di gallio.

Un pozzo quantico, formato da un semiconduttore con valori energetici discreti, confina il moto delle particelle cariche su un piano bidimensionale. Combinando il grafene con un pozzo quantico si ottiene un'eterostruttura formata da due diversi materiali bidimensionali, e tale assemblaggio composto può essere utilizzato per studiare l'interazione di elettroni e lacune di elettroni. Un buco si forma quando un elettrone viene eccitato in uno stato energetico superiore, lasciandosi dietro una quasi-particella che si comporta come se fosse un elettrone "mancante", o un elettrone con carica positiva anziché negativa. Nota che i buchi di elettroni non sono la stessa cosa delle antiparticelle fisicamente reali conosciute come positroni.

Nel caso delle eterostrutture grafene-GaAs riportate nella Comunicazioni sulla natura carta, le misurazioni della resistenza di Coulomb sono coerenti con le forti interazioni tra gli strati di materiale, con la forza elettrostatica attrattiva tra gli elettroni e le lacune nei dispositivi a stato solido che si prevede si traduca in superfluidità e condensazione di Bose-Einstein. In altre parole, la forte interazione tra strati di materiale porta a effetti quantistici che si manifestano in grandi insiemi di elettroni e lacune confinati all'interno di dispositivi di dimensioni micrometriche.

"Mostriamo che tali effetti possono verificarsi quando gli elettroni sono confinati in un sottile pozzo fatto di arseniuro di gallio, con fori confinati in grafene monostrato o bistrato, " dice Polini. "Gli elettroni ei buchi separati da poche decine di nanometri si attraggono attraverso una delle forze più forti esibite in natura:la forza elettrica. A temperature sufficientemente basse, i nostri esperimenti rivelano il possibile emergere di una fase superfluida, in cui scorrono correnti opposte nei due distinti sistemi bidimensionali." Pellegrini continua:"Tali correnti scorrono con dissipazione minima, e può rendere possibile una serie di dispositivi elettronici coerenti che dissipano poca energia." Ferrari aggiunge:"Questo è un altro esempio di risultati all'avanguardia resi possibili dall'assemblaggio deterministico del grafene e di altre strutture bidimensionali, che è precisamente l'obiettivo generale del Flagship Graphene."

La superfluidità e la condensazione di Bose-Einstein sono fenomeni a bassissima temperatura, quindi gli effetti qui descritti nelle eterostrutture grafene-arseniuro di gallio non si applicheranno ai dispositivi elettronici di tutti i giorni. Ancora, ci sono molte applicazioni che richiedono l'uso di elettronica raffreddata criogenicamente, e questi potrebbero sfruttare la resistenza anomala di Coulomb a bassa temperatura in materiali bidimensionali sfusi.

Esempi di tali applicazioni includono l'informatica quantistica e ad alte prestazioni, spettroscopia, rilevamento magnetico e infrarosso, e conversione da analogico a digitale. La scoperta dei ricercatori del Graphene Flagship qui delineata potrebbe avvantaggiare queste aree tecnologiche e altro ancora.