Negli ultimi sette anni, Javier Sanchez-Yamagishi ha costruito diverse centinaia di sistemi di grafene impilati su nanoscala per studiarne le proprietà elettroniche. "Ciò che mi interessa molto è che le proprietà di questo sistema combinato dipendono sensibilmente dal relativo allineamento tra loro, " lui dice.

Sanchez-Yamagishi, che ha conseguito il dottorato di ricerca a gennaio, è ora postdoc nel gruppo del Professore Associato Pablo Jarillo-Herrero. Assembla sandwich di grafene e nitruro di boro con vari orientamenti orizzontali. "I trucchi che usavamo erano creare dispositivi più puliti, raffreddandoli a basse temperature e applicando loro campi magnetici molto grandi, "dice Sanchez-Yamagishi, che ha effettuato misurazioni presso il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, Florida. Il laboratorio presenta il più grande magnete continuo al mondo, 45 Tesla, che è circa 10, 000 volte la forza di un magnete da frigorifero.

Sanchez-Yamagishi è stato uno dei principali co-autore di un articolo del 2014 in Natura ciò ha mostrato che avere una componente del campo magnetico applicato nel piano del grafene costringeva gli elettroni sul bordo del grafene a muoversi in direzioni opposte in base ai loro spin. I coautori principali erano il postdoc Benjamin M. Hunt e il Pappalardo Fellow Andrea Young, entrambi dal gruppo del professore di fisica del MIT Raymond C. Ashoori. Il documento è stato il culmine di due anni di lavoro, dice Sanchez-Yamagishi.

"Stavamo cercando di realizzare alcuni stati quantistici interessanti nel grafene. Si chiama stato Hall di spin quantistico, " Spiega Sanchez-Yamagishi. Ciò avrebbe applicazioni nell'informatica quantistica, un'area di interesse per il gruppo perché Jarillo-Herrero è un ricercatore nel Centro per i materiali quantistici integrati finanziato dalla National Science Foundation.

Sanchez-Yamagishi è stato anche coautore di un articolo su Science del 2013 in cui Jarillo-Herrero, Ashoori, e i collaboratori hanno dimostrato che un certo allineamento di grafene stratificato e nitruro di boro esagonale ha creato un bandgap unico nel grafene, che potrebbe essere un precursore dello sviluppo del materiale per i transistor funzionali. I coautori di Sanchez-Yamagishi includevano ancora Young, ora assistente professore all'Università della California a Santa Barbara, e caccia, che entrerà a far parte della facoltà del dipartimento di fisica della Carnegie Mellon questo autunno.

La farfalla di Hofstadter

Gli strati di grafene e nitruro di boro hanno ciascuno atomi disposti in una forma esagonale, o sei lati, modello. Quando la disposizione reticolare degli strati di grafene e nitruro di boro esagonale sono strettamente allineati, e i campioni sono esposti a un ampio campo magnetico fuori piano, esibiscono livelli di energia elettronica che sono chiamati "farfalla di Hofstadter, " perché quando vengono tracciati su un grafico assomiglia a una farfalla. Ciò che entusiasma i fisici è che questa farfalla è uno dei rari esempi di un modello frattale nella fisica quantistica. "Questa è fisica che entra in gioco solo perché gli elettroni sono piccolissime e le facciamo molto fredde. Quindi la fisica quantistica assume un ruolo ed è molto diverso, sorprendentemente diverso, " dice Sanchez-Yamagishi.

"Oltre al risultato della farfalla Hofstadter, gli stessi dispositivi sono stati anche i primi a mostrare un bandgap nel grafene. Jarillo-Herrero dice, "Ciò che è stato davvero inaspettato è che abbiamo mostrato che il grafene, che di solito si comporta molto bene, nelle condizioni di quell'esperimento con un angolo di rotazione molto basso tra il grafene e l'HBN, diventato un isolante. Non ha condotto affatto. È stato un comportamento inaspettato e lo è ancora. I teorici stanno ancora cercando di capire perché. A livello quantitativo, non si è ancora capito. Quindi è inteso qualitativamente, ma non quantitativamente».

Scoperta fortunata

Il peculiare comportamento elettronico del grafene deriva dalla sua struttura molecolare, che è come un reticolo di atomi di carbonio a forma di favo o filo di pollo. Quando queste strutture a nido d'ape sono impilate una sopra l'altra, se non sono allineati, creano un cosiddetto motivo moiré, che varia con la rotazione degli strati l'uno rispetto all'altro. "Quello che è successo è che per caso, abbiamo questi campioni che mostrano questa fisica di Hofstadter. Quindi non era questa la nostra intenzione originale, " Spiega Sanchez-Yamagishi. "Per vedere la fisica di Hofstadter, il grafene deve essere molto allineato al nitruro di boro esagonale. Quando è strettamente allineato, hai un superreticolo molto grande, e poi la fisica viene fortemente influenzata, ed è per questo che siamo stati in grado di osservare questa fisica di Hofstadter, " dice. Per dirla in un altro modo, lui dice, "Quando sono disallineati, la moiré è molto piccola, e quando il moiré è piccolo, ha pochissimo effetto sulla fisica dell'elettrone. Ma quando sono allineati, più sono allineati, più grande è il moiré e più forte è l'effetto sugli elettroni, e quindi fondamentalmente per vedere questo tipo di fisica di Hofstadter hai bisogno di un grande moiré."

Mentre questa struttura a nido d'ape esiste in grafite, una forma di massa familiare di carbonio, le sue proprietà speciali si manifestano solo quando strati di grafene spessi da uno a pochi atomi vengono separati dalla grafite. "Il grafene conduce l'elettricità meglio della grafite. Conduce meglio dell'argento o dell'oro, " dice Sanchez-Yamagishi.

Sanchez-Yamagishi ha costruito una macchina in laboratorio che impila strati estremamente sottili di grafene e materiali simili. Quando due strati di grafene sono disallineati, sono chiamati grafene a doppio strato ritorto. "In grafite, normalmente tutti gli strati sono allineati tra loro; gli elettroni vengono rallentati, " spiega. Si scopre che se due strati di grafene sono impilati in allineamento, gli elettroni che viaggiano all'interno di uno strato vengono rallentati allo stesso modo. Ma con il grafene, se gli strati impilati uno sopra l'altro sono disallineati, si comportano come se uno strato non percepisse realmente l'altro strato. "Puoi metterli uno sopra l'altro, in realtà rimangono disaccoppiati l'uno dall'altro, e può ancora condurre elettricità sostanzialmente come se fosse ancora un singolo foglio di grafene, " dice. "Se sono disallineati, quindi l'elettrone in uno strato non viene influenzato dagli altri strati e si sposta rapidamente."

Mentre la torsione, o rotazione fuori allineamento, può migliorare il flusso di elettroni attraverso i singoli strati, ha l'effetto opposto sugli elettroni che si muovono tra gli strati. "Anche se sono uno sopra l'altro, atomi a parte, se li giri, quindi gli elettroni non possono effettivamente passare da uno strato all'altro da soli. Hanno bisogno dell'aiuto di altri elementi del sistema. Quindi puoi metterli uno sopra l'altro, in realtà non sono collegati elettricamente. È collegato a questo motivo moiré. È a causa della torsione tra i due strati che li disaccoppia in questo modo, " dice Sanchez-Yamagishi.

Curva di apprendimento

Uno dei primi studenti laureati a unirsi al gruppo di Jarillo-Herrero nel 2008, Sanchez-Yamagishi, 28, afferma di essere passato dall'iniziare a spendere mesi per produrre grafene di buona qualità fino a realizzare dispositivi di grafene molto complessi e combinarli con altri materiali. I contatti in oro inviano corrente attraverso il grafene per misurarne le proprietà elettriche. Spesso, le forme di grafene utilizzate nei dispositivi di test sono di forma irregolare poiché è così che si staccano dal materiale di grafite naturale. La grafite viene strofinata su un foglio di silicio e sollevata con un nastro speciale per creare sottili strati di grafene. Massimizzare la quantità di grafene che può essere utilizzata per un dispositivo ha la priorità rispetto a renderlo bello, dice Sanchez-Yamagishi. "Stiamo cercando di spingere la tecnologia al massimo livello, quindi ci stiamo affidando alla parte finale della distribuzione qui. Vogliamo ottenere quella coda, quelli che hanno prestazioni anormalmente buone, perché vogliamo dimostrare la fisica, " dice. "Alla fine, eliminiamo quelli che non sono di alta qualità, e manteniamo quelli che sono i migliori".

Gli studi sono condotti a basse temperature, circa 4 kelvin, anche se alcuni sono anche più freddi, misurato in millikelvin. "Un grande obiettivo del nostro laboratorio è studiare l'elettricità sotto forma di come gli elettroni si muovono e quindi per farlo vogliamo prima raffreddarlo a basse temperature, dove tutto ciò che vediamo è come si comporta principalmente l'elettrone da solo, e poi possiamo preoccuparci di rendere le cose anche più complicate, " Spiega Sanchez-Yamagishi. È anche tutor degli attuali studenti laureati Yuan Cao e Jason Luo.

Nel mese di settembre, Sanchez-Yamagishi inizierà una borsa di studio post-dottorato di due anni presso l'Harvard University Quantum Optics Center, dove lavorerà sui centri di ricerca dell'azoto nei diamanti sotto la guida del ricercatore Mikhail Lukin. "Il mio background è l'elettronica nel grafene, quindi l'idea è di combinare gli elettroni nel grafene con i fotoni nei diamanti, " dice. Spera alla fine di diventare un professore di fisica.

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.