Gli elettroni nel grafene, un materiale atomicamente sottile, sostanza flessibile e incredibilmente forte che ha catturato l'immaginazione di scienziati dei materiali e fisici allo stesso modo:muoversi alla velocità della luce, e si comportano come se non avessero massa. Ora, gli scienziati della Washington University di St. Louis hanno dimostrato come visualizzare le interazioni di molte particelle nel grafene utilizzando la luce infrarossa. La ricerca sarà presentata al meeting dell'American Physical Society questa settimana a Los Angeles.

Nel profondo del seminterrato sotto la storica Crow Hall della Washington University, un gruppo di ricerca guidato da Erik Henriksen, assistente professore di fisica in arti e scienze, svolge il suo lavoro in una nave su misura raffreddata a pochi gradi sopra lo zero assoluto. Usano una piccola scheggia di grafene inserita tra due cristalli di nitruro di boro e posta sopra un wafer di silicio; a circa 16 micron di lunghezza, l'intera pila di materiale è meno di un sesto delle dimensioni di un capello umano.

"Qui abbiamo costruito un sistema che focalizza la luce infrarossa in modo ristretto fino al campione, che si trova all'interno di un grande magnete e a bassissima temperatura, " ha detto Henriksen. "Ci permette di illuminarlo letteralmente con una torcia, ed esplora le sue proprietà elettroniche vedendo quali colori di luce vengono assorbiti."

Il grafene ha suscitato molto entusiasmo nella comunità di ricerca sulla scienza dei materiali a causa delle sue potenziali applicazioni nelle batterie, celle a energia solare, touch screen e altro. Ma i fisici sono più interessati al grafene a causa della sua insolita struttura elettronica, sotto il quale i suoi elettroni si comportano come particelle relativistiche.

In condizioni normali, gli elettroni si respingono sempre reciprocamente. Henriksen e il suo team studiano come questo comportamento cambia quando gli elettroni sembrano non avere massa.

Raccogliendo misurazioni simultanee di proprietà ottiche ed elettroniche in presenza di un elevato campo magnetico, i ricercatori sono stati in grado di tracciare il movimento delle particelle cariche tra le orbite con valori energetici discreti, chiamati livelli di Landau. Cominciò a emergere uno schema.

"Un forte campo magnetico fornisce una sorta di collante al loro movimento, li rallenta in qualche modo, " Henriksen ha detto. "Si potrebbe pensare che sarebbe un sistema molto difficile da guardare. Ma a volte, a intervalli molto specifici dell'intensità del campo magnetico e dell'intensità di interazione, lo scoprirai, all'improvviso, il sistema si semplifica enormemente."

"Ti aspetteresti una linea piatta, essenzialmente, in assenza di queste interessanti interazioni che stiamo cercando, " ha detto Jordan Russell, un dottorando in fisica e coautore di un nuovo articolo sul grafene. "Questo comportamento non monotono è una firma delle interazioni che stavamo cercando".

L'incontro di marzo dell'American Physical Society dovrebbe riunire quasi 10, 000 fisici della materia condensata. In questo forum verranno presentati anche altri lavori recenti del laboratorio di Henriksen, inclusa una recente scoperta che il grafene può essere utilizzato per misurare un "liquido di spin quantistico" in materiali magnetici.