Un team di ricercatori di Graphene Flagship guidati dall'Università di Manchester ha riferito sulla rivista Scienza mostrando il primo nuovo tipo di oscillazione quantistica da segnalare da trent'anni. Ciò avviene applicando un campo magnetico ed è il primo del suo genere ad essere presente ad alta temperatura e sulla mesoscala. Questa ricerca fa luce anche sul fenomeno delle farfalle di Hofstadter.

La teoria quantistica è lo studio della fisica a livello atomico e subatomico. Quantizza energia e quantità di moto e mostra come gli oggetti sono caratterizzati sia come particelle che come onde. Le oscillazioni quantistiche possono essere utilizzate per mappare le proprietà di nuovi materiali in presenza di un campo magnetico. Questo articolo mostra come sia possibile sintonizzare il campo magnetico applicato a un'eterostruttura composta da grafene e nitruro di boro per creare tutta una serie di diversi materiali elettronici.

Il superreticolo, creato nel grafene dalla sua esatta collocazione rispetto a uno strato di nitruro di boro disposto periodicamente, interagisce con il campo magnetico in modo tale che è possibile sintonizzare la sua oscillazione per produrre bande e spazi vuoti nella sua struttura elettronica - il che significa che il campo magnetico può essere utilizzato per sintonizzare i materiali per essere metallici, semiconduttore o conduttore.

Andre Geim, un membro di spicco del team e il Premio Nobel 2010, afferma "Gli effetti quantistici oscillatori presentano sempre pietre miliari nella nostra comprensione delle proprietà dei materiali. Sono estremamente rari. Sono passati più di 30 anni da quando è stato segnalato un nuovo tipo di oscillazione quantistica". Ha aggiunto "Le nostre oscillazioni si distinguono per la loro estrema robustezza, accade in condizioni ambientali in campi magnetici facilmente accessibili."

Questo lavoro getta ulteriore luce sulla farfalla di Hofstadter, un modello frattale che descrive il comportamento degli elettroni in un campo magnetico, misurato sperimentalmente per la prima volta nel 2013 utilizzando un'eterostruttura di grafene e nitruro di boro. Nel lavoro teorico originale su cui si basa la farfalla di Hofstadter, gli elettroni modellati per creare il modello frattale sono stati trattati come elettroni di Bloch (elettroni che non interagiscono tra loro e si muovono all'interno di un potenziale elettrico periodico all'interno di un reticolo). La ricerca mostrata qui illustra come questi complessi modelli frattali possono essere visti come quantizzazione di Langmuir, che è la quantizzazione delle orbite del ciclotrone (prendendo quella che normalmente si pensa come un'orbita circolare e vedendola invece come lineare)

Professor Vladimir Falko, Il direttore del National Graphene Institute ha commentato:"Il nostro lavoro aiuta a demistificare la farfalla di Hofstadter. La complessa struttura frattale dello spettro della farfalla di Hofstadter può essere intesa come una semplice quantizzazione di Landau nella sequenza di nuovi metalli creati dal campo magnetico".

Professor Bart van Wees, Capo del gruppo di fisica dei nanodevices presso lo Zernike Institute for Advanced Materials, Groninga, I Paesi Bassi hanno aggiunto:"Abbiamo sempre considerato le oscillazioni quantistiche molto fragili, facilmente distrutti a temperature più elevate ma gli autori hanno dimostrato che questi possono ora essere osservati a temperatura ambiente, o anche superiore. Questa è una buona notizia per possibili nuove applicazioni di questi e altri sistemi basati sull'impilamento Van der Waals di materiali bidimensionali".