La meccanica quantistica è il campo della fisica che governa il comportamento delle cose su scale atomiche, dove le cose funzionano in modo molto diverso dal nostro mondo quotidiano.

Una delle manifestazioni più dirette della meccanica quantistica è la quantizzazione. La quantizzazione determina il carattere discreto delle proprietà fisiche su piccola scala, che potrebbe essere il raggio di un'orbita atomica o la resistenza di un filo molecolare. Il più famoso, che vinse il premio Nobel ad Albert Einstein, è la quantizzazione dell'energia del fotone nell'effetto fotoelettrico, l'osservazione che molti metalli emettono elettroni quando la luce li colpisce.

La quantizzazione si verifica quando una particella quantistica è confinata in un piccolo spazio. La sua funzione d'onda sviluppa un modello di onda stazionaria, come onde in una piccola pozzanghera. I fisici parlano quindi di quantizzazione delle dimensioni:l'energia della particella può assumere solo quei valori in cui il modello nodale dell'onda stazionaria corrisponde al confine del sistema.

Una conseguenza sorprendente della quantizzazione delle dimensioni è la conduttanza quantizzata:il numero di particelle che possono attraversare simultaneamente uno stretto corridoio, una cosiddetta nanocostrizione, diventare discreto. Di conseguenza la corrente attraverso tale costrizione è un multiplo intero del quanto di conduttanza.

In un recente lavoro congiunto sperimentale e teorico, un gruppo internazionale di fisici ha dimostrato la quantizzazione dimensionale dei portatori di carica, cioè conduttanza quantizzata in campioni su scala nanometrica di grafene. I risultati sono stati pubblicati in un articolo intitolato "Quantizzazione dimensionale dei fermioni di Dirac nelle costrizioni del grafene" in Comunicazioni sulla natura .

Il materiale di alta qualità grafene, uno strato di carbonio monoatomico, incorporato nel nitruro di boro esagonale dimostra una fisica insolita a causa della simmetria esagonale o a nido d'ape del suo reticolo. Però, osservando la quantizzazione delle dimensioni dei portatori di carica nelle nanocostrizioni di grafene ha, fino ad ora, si è rivelato sfuggente a causa dell'elevata sensibilità dell'onda elettronica al disordine.

I ricercatori hanno dimostrato effetti di quantizzazione a temperature molto basse (elio liquido), dove cessa l'influenza del disordine termico. Questo nuovo approccio, di incapsulare le costrizioni del grafene tra strati di nitruro di boro, ha consentito di ottenere campioni eccezionalmente puliti, e quindi misurazioni altamente accurate.

A campo magnetico nullo, la corrente misurata mostra chiare firme di quantizzazione dimensionale, seguendo da vicino le previsioni teoriche. Per aumentare il campo magnetico, queste strutture evolvono gradualmente nei livelli di Landau dell'effetto Hall quantistico.

"L'elevata sensibilità di questa transizione alla dispersione ai bordi della costrizione rivela dettagli indispensabili sul ruolo della dispersione dei bordi nei futuri dispositivi nanoelettronici di grafene, " ha detto Slava V. Rotkin, professore di fisica e scienza e ingegneria dei materiali alla Lehigh University e coautore dello studio.