Ricercatori presso la Columbia Engineering, esperti nella manipolazione della materia su scala nanometrica, hanno fatto un importante passo avanti nella fisica e nella scienza dei materiali, recentemente segnalato in Nanotecnologia della natura . Lavorando con i colleghi delle università di Princeton e Purdue e dell'Istituto Italiano di Tecnologia, il team ha progettato il "grafene artificiale" ricreando, per la prima volta, la struttura elettronica del grafene in un dispositivo a semiconduttore.

"Questa pietra miliare definisce un nuovo stato dell'arte nella scienza della materia condensata e nella nanofabbricazione, "dice Aron Pinczuk, professore di fisica applicata e fisica alla Columbia Engineering e autore senior dello studio. "Mentre il grafene artificiale è stato dimostrato in altri sistemi come quello ottico, molecolare, e reticoli fotonici, queste piattaforme mancano della versatilità e delle potenzialità offerte dalle tecnologie di elaborazione dei semiconduttori. I dispositivi di grafene artificiale a semiconduttore potrebbero essere piattaforme per esplorare nuovi tipi di interruttori elettronici, transistor con proprietà superiori, e persino, forse, nuovi modi di immagazzinare informazioni basati su stati meccanici quantistici esotici."

La scoperta del grafene nei primi anni 2000 ha generato un'enorme eccitazione nella comunità dei fisici non solo perché è stata la prima realizzazione nel mondo reale di un vero materiale bidimensionale, ma anche perché la disposizione atomica unica degli atomi di carbonio nel grafene ha fornito una piattaforma per testare nuovi fenomeni quantistici difficili da osservare nei sistemi di materiali convenzionali. Con le sue insolite proprietà elettroniche - i suoi elettroni possono percorrere grandi distanze prima di essere dispersi - il grafene è un conduttore eccezionale. Queste proprietà mostrano anche altre caratteristiche uniche che fanno sì che gli elettroni si comportino come se fossero particelle relativistiche che si muovono vicino alla velocità della luce, conferendo loro proprietà esotiche che "regolari, "Gli elettroni non relativistici non hanno.

Ma il grafene, una sostanza naturale, ha una sola disposizione atomica:le posizioni degli atomi nel reticolo del grafene sono fisse, e quindi tutti gli esperimenti sul grafene devono adattarsi a quei vincoli. D'altra parte, nel grafene artificiale il reticolo può essere ingegnerizzato su un'ampia gamma di spaziature e configurazioni, rendendolo una sorta di santo graal per i ricercatori sulla materia condensata perché avrà proprietà più versatili rispetto al materiale naturale.

"Si tratta di un'area di ricerca in rapida espansione, e stiamo scoprendo nuovi fenomeni a cui prima non era possibile accedere, "dice Shalom Wind, docente del dipartimento di fisica applicata e matematica applicata e coautore dello studio. "Mentre esploriamo nuovi concetti di dispositivi basati sul controllo elettrico del grafene artificiale, possiamo sbloccare il potenziale per espandere le frontiere nell'optoelettronica avanzata e nell'elaborazione dei dati".

"Questo lavoro è davvero un grande progresso nel grafene artificiale. Dalla prima previsione teorica che il sistema con proprietà elettroniche simili al grafene può essere creato artificialmente e sintonizzato con gas di elettroni 2D modellato, nessuno ci era riuscito, fino al lavoro della Columbia, nell'osservare direttamente queste caratteristiche nelle nanostrutture di semiconduttori ingegnerizzati, " dice Steven G. Louie, professore di fisica, Università della California, Berkeley. "Il lavoro precedente con le molecole, gli atomi e le strutture fotoniche rappresentano sistemi molto meno versatili e stabili. Le strutture di semiconduttori nanofabbricati aprono enormi opportunità per esplorare nuove entusiasmanti scienze e applicazioni pratiche".

I ricercatori hanno utilizzato gli strumenti della tecnologia dei chip convenzionale per sviluppare il grafene artificiale in un materiale semiconduttore standard, arseniuro di gallio. Hanno progettato una struttura a strati in modo che gli elettroni potessero muoversi solo all'interno di uno strato molto stretto, creando efficacemente un foglio 2D. Hanno usato la nanolitografia e l'incisione per modellare l'arseniuro di gallio:il modello ha creato un reticolo esagonale di siti in cui gli elettroni erano confinati nella direzione laterale. Inserendo questi siti, che potrebbero essere pensati come "atomi artificiali, " sufficientemente vicini l'uno all'altro (~ 50 nanometri di distanza), questi atomi artificiali potrebbero interagire meccanicamente quantisticamente, simile al modo in cui gli atomi condividono i loro elettroni nei solidi.

Il team ha sondato gli stati elettronici dei reticoli artificiali illuminandoli con luce laser e misurando la luce che è stata dispersa. La luce diffusa ha mostrato una perdita di energia che corrispondeva alle transizioni dell'energia dell'elettrone da uno stato all'altro. Quando hanno mappato queste transizioni, il team ha scoperto che si stavano avvicinando allo zero in modo lineare attorno a quello che viene chiamato il "punto di Dirac" dove la densità elettronica svanisce, un segno distintivo del grafene.

Questo grafene artificiale presenta diversi vantaggi rispetto al grafene naturale:ad esempio, i ricercatori possono progettare variazioni nel reticolo a nido d'ape per modulare il comportamento elettronico. E poiché la spaziatura tra i punti quantici è molto più ampia della spaziatura interatomica nel grafene naturale, i ricercatori possono osservare fenomeni quantistici ancora più esotici con l'applicazione di un campo magnetico.

La scoperta di nuovi materiali a bassa dimensionalità, come il grafene e altri ultrasottili, film stratificati di van der Waals che mostrano nuovi eccitanti fenomeni fisici che prima erano inaccessibili, ha posto le basi per questo studio. "Ciò che è stato davvero fondamentale per il nostro lavoro sono stati gli impressionanti progressi nella nanofabbricazione, " Note Pinczuk. "Questi ci offrono una cassetta degli attrezzi sempre crescente per creare una miriade di modelli di alta qualità a dimensioni su scala nanometrica. Questo è un momento emozionante per essere un fisico che lavora nel nostro campo".