A partire da un atomo mancante, indicato come posto vacante (in alto a sinistra), e applicando una carica elettrica che attrae gli elettroni nella regione, gli elettroni sono confinati in "orbitali" per creare un "atomo artificiale" (in basso a destra). Le immagini sono mappe di concentrazione di elettroni ottenute con spettroscopia a effetto tunnel che visualizzano la vacanza, e poi gli orbitali elettronici (in rosso) di un atomo artificiale creato in grafene. R1, R1' e R2 mostrano gli orbitali in ordine di energia crescente. Credito:Eva Andrei, Università di Rutgers
Per la prima volta, gli scienziati hanno creato un atomo artificiale sintonizzabile nel grafene. Hanno dimostrato che una vacanza nel grafene può essere caricata in modo controllabile in modo tale che gli elettroni possano essere localizzati per imitare gli orbitali elettronici di un atomo artificiale. È importante sottolineare che il meccanismo di intrappolamento è reversibile (acceso e spento) e i livelli di energia possono essere regolati.
I risultati di questa ricerca dimostrano una praticabile, controllabile, e tecnica reversibile per confinare gli elettroni nel grafene. Gli stati energetici degli elettroni sono "sintonizzabili". Questa sintonizzabilità apre nuove strade di ricerca sul comportamento fisico unico degli elettroni nel grafene. Ulteriore, fornisce una metodologia che potrebbe facilitare l'uso di dispositivi a base di grafene per l'elettronica futura, comunicazioni, e sensori.
Le straordinarie proprietà elettroniche del grafene hanno alimentato la visione di sviluppare dispositivi a base di grafene per consentire più leggeri, elettronica più veloce e intelligente e applicazioni informatiche avanzate. Ma i progressi verso questo obiettivo sono stati rallentati dall'incapacità di confinare i suoi portatori di carica con la tensione applicata. Un team guidato da ricercatori della Rutgers University ha sviluppato una tecnica per ospitare stabilmente e modificare in modo controllabile gli stati di carica localizzati nel grafene. I ricercatori hanno creato posti vacanti (atomi di carbonio mancanti) nel reticolo del grafene, bombardando il campione con atomi di elio carichi (ioni He+).
Hanno dimostrato che è possibile depositare una carica positiva nel sito vuoto e caricarla gradualmente applicando impulsi di tensione con una punta di microscopio a scansione a effetto tunnel. All'aumentare dell'onere per il posto vacante, la sua interazione con gli elettroni di conduzione nel grafene subisce una transizione. L'interazione si trasforma in un regime in cui gli elettroni possono essere intrappolati in stati energetici quasi legati che assomigliano a un atomo artificiale.
Il team ha inoltre dimostrato che gli stati quasi legati nel sito vacante sono sintonizzabili con l'applicazione di un campo elettrico esterno. Il meccanismo di intrappolamento può essere attivato e disattivato, fornendo un nuovo paradigma per controllare e guidare gli elettroni nel grafene.
