Un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) Center for Nanoscale Science and Technology ha sviluppato un metodo per misurare le vibrazioni dei cristalli nel grafene. Comprendere queste vibrazioni è un passo fondamentale verso il controllo delle future tecnologie basate sul grafene, una forma di carbonio spessa un atomo.

Riferiscono i loro risultati nel 19 giugno, 2015, problema di Lettere di revisione fisica .

Gli atomi di carbonio nei fogli di grafene sono disposti in un reticolo a nido d'ape che si ripete regolarmente:un cristallo bidimensionale. Come altri cristalli, quando viene applicato abbastanza calore o altra energia, le forze che legano gli atomi insieme fanno vibrare gli atomi e diffondono l'energia in tutto il materiale, simile a come la vibrazione della corda di un violino risuona in tutto il corpo del violino quando viene suonata.

E proprio come ogni violino ha il suo carattere unico, ogni materiale vibra a frequenze uniche. Le vibrazioni collettive, che hanno frequenze nell'intervallo dei terahertz (un miliardo di miliardi di oscillazioni al secondo), sono chiamati fononi.

Capire come interagiscono i fononi fornisce indizi su come inserire, estrarre o spostare energia all'interno di un materiale. In particolare, trovare modi efficaci per rimuovere l'energia termica è vitale per la continua miniaturizzazione dell'elettronica.

Un modo per misurare queste minuscole vibrazioni è far rimbalzare gli elettroni sul materiale e misurare quanta energia gli elettroni hanno trasferito agli atomi vibranti. Ma è difficile. La tecnica, chiamata spettroscopia di tunneling elettronico anelastico, suscita solo un piccolo segnale acustico che può essere difficile da individuare su disturbi più rauchi.

"I ricercatori devono spesso trovare modi per misurare segnali sempre più piccoli, " dice il ricercatore del NIST Fabian Natterer, "Per sopprimere il caos e controllare i piccoli segnali, usiamo le proprietà molto distinte del segnale stesso."

A differenza di un violino che suona al minimo tocco, secondo Natterer, i fononi hanno una caratteristica energia di soglia. Ciò significa che non vibreranno a meno che non ricevano la giusta quantità di energia, come quello fornito dagli elettroni in un microscopio a effetto tunnel (STM).

Per filtrare il segnale dei fononi da altre distrazioni, I ricercatori del NIST hanno usato il loro STM per alterare sistematicamente il numero di elettroni che si muovono attraverso il loro dispositivo al grafene. Al variare del numero di elettroni, i segnali indesiderati variavano anche in energia, ma i fononi rimasero fissi alla loro frequenza caratteristica. La media dei segnali sulle diverse concentrazioni di elettroni ha diluito i fastidiosi disturbi, ma rafforzato i segnali fononici.

Il team è stato in grado di mappare tutti i fononi di grafene in questo modo, e le loro scoperte concordavano bene con le previsioni teoriche dei loro collaboratori della Georgia Tech.

Secondo il collega del NIST Joe Stroscio, imparare a cogliere il segnale dei fononi ha permesso loro di osservare un comportamento peculiare e sorprendente.

"L'intensità del segnale fononico è diminuita drasticamente quando abbiamo cambiato il portatore di carica del grafene dalle lacune agli elettroni, da cariche positive a negative, " dice Stroscio. "Un indizio su ciò che inizialmente migliora i segnali dei fononi e poi li fa cadere sono le modalità della galleria sussurrante, che si riempiono di elettroni e impediscono ai fononi di vibrare quando passiamo dal doping di lacuna a quello di elettroni".

Il team osserva che questo effetto è simile agli effetti indotti dalla risonanza osservati nelle piccole molecole. Essi ipotizzano che se si verificasse lo stesso effetto qui, potrebbe significare che il sistema, grafene e STM, sta imitando una molecola gigante, ma dicono che non hanno ancora una solida base teorica per ciò che sta accadendo.

Il dispositivo di grafene ad alta purezza è stato fabbricato dal ricercatore del NIST Y. Zhao nel Nanofab del Center for Nanoscale Science and Technology, una struttura nazionale per gli utenti a disposizione dei ricercatori dell'industria, accademia e governo.