Ricercatori dell'Università di Manchester nel Regno Unito, guidato dal dottor Artem Mishchenko, Prof Volodya Fal'ko e Prof Andre Geim, hanno scoperto l'effetto Hall quantistico nella grafite sfusa, un cristallo stratificato costituito da strati sovrapposti di grafene. Questo è un risultato inaspettato perché l'effetto Hall quantistico è possibile solo nei cosiddetti sistemi bidimensionali (2-D) in cui il movimento degli elettroni è limitato a un piano e deve essere impedito nella direzione perpendicolare. Hanno anche scoperto che il materiale si comporta in modo diverso a seconda che contenga un numero pari o dispari di strati di grafene, anche quando il numero di strati nel cristallo supera le centinaia. Il lavoro è un passo importante per la comprensione delle proprietà fondamentali della grafite, che spesso sono stati fraintesi, soprattutto negli ultimi anni.

Nel loro lavoro, pubblicato in Fisica della natura , Mishchenko e colleghi hanno studiato dispositivi realizzati con cristalli di grafite spaccati, che sostanzialmente non contengono difetti. I ricercatori hanno preservato l'alta qualità del materiale anche incapsulandolo in un altro materiale a strati di alta qualità:il nitruro di boro esagonale. Hanno modellato i loro dispositivi in ​​una geometria della barra di Hall, che ha permesso loro di misurare il trasporto di elettroni nella grafite sottile.

"Le misurazioni erano abbastanza semplici." spiega il dottor Jun Yin, il primo autore del saggio. "Abbiamo passato una piccola corrente lungo il bar Hall, applicato un forte campo magnetico perpendicolare al piano della barra di Hall e quindi misurato le tensioni generate lungo e attraverso il dispositivo per estrarre la resistività longitudinale e la resistenza di Hall.

Riduzione dimensionale

Fal'ko, che ha guidato la parte teorica, ha dichiarato:"Siamo rimasti piuttosto sorpresi quando abbiamo visto l'effetto Hall quantistico (QHE) - una sequenza di plateau quantizzati nella resistenza di Hall - accompagnato da resistività longitudinale zero nei nostri campioni. Questi sono abbastanza spessi da comportarsi proprio come un normale semimetallo sfuso in cui il QHE dovrebbe essere vietato."

I ricercatori affermano che il QHE deriva dal fatto che il campo magnetico applicato costringe gli elettroni nella grafite a muoversi in una dimensione ridotta, con conducibilità consentita solo nella direzione parallela al campo. In campioni abbastanza sottili, però, questo movimento unidimensionale può essere quantizzato grazie alla formazione di onde elettroniche stazionarie. Il materiale passa quindi dall'essere un sistema elettronico 3-D ad uno 2-D con livelli energetici discreti.

Il numero pari/dispari di strati di grafene è importante

Un'altra grande sorpresa è che questo QHE è molto sensibile al numero pari/dispari di strati di grafene. Gli elettroni nella grafite sono simili a quelli del grafene e si presentano in due "sapori" (chiamati valli). Le onde stazionarie formate da elettroni di due gusti diversi si trovano su strati di grafite con numero pari o dispari. Nei film con numero pari di strati, il numero di strati pari e dispari è lo stesso, quindi le energie delle onde stazionarie di sapori diversi coincidono.

La situazione è diversa nei film con numero dispari di strati, però, perché il numero di strati pari e dispari è diverso, questo è, c'è sempre uno strato dispari in più. Ciò si traduce in uno spostamento dei livelli di energia delle onde stazionarie di sapori diversi l'uno rispetto all'altro e significa che questi campioni hanno ridotto i gap energetici del QHE. Il fenomeno persiste anche per la grafite di centinaia di strati di spessore.

Osservazioni del QHE . frazionario

Le scoperte inaspettate non sono finite qui:i ricercatori affermano di aver osservato anche il QHE frazionario nella grafite sottile al di sotto di 0,5 K. Il FQHE è diverso dal normale QHE ed è il risultato di forti interazioni tra gli elettroni. Queste interazioni, che spesso possono portare a importanti fenomeni collettivi come la superconduttività, magnetismo e superfluidità, fare in modo che i portatori di carica in un materiale FQHE si comportino come quasiparticelle con carica che è una frazione di quella di un elettrone.

"La maggior parte dei risultati che abbiamo osservato può essere spiegata utilizzando un semplice modello a singolo elettrone, ma vedere l'FQHE ci dice che l'immagine non è così semplice, " dice Mishchenko. "Ci sono molte interazioni elettrone-elettrone nei nostri campioni di grafite ad alti campi magnetici e basse temperature, il che dimostra che la fisica a molti corpi è importante in questo materiale".

Tornando alla grafite

Il grafene è stato alla ribalta negli ultimi 15 anni, e con ragione, e la grafite è stata leggermente spinta indietro dalla sua progenie spessa uno strato, Mishchenko aggiunge. "Ora siamo tornati a questo vecchio materiale. La conoscenza acquisita dalla ricerca sul grafene, tecniche sperimentali migliorate (come la tecnologia di assemblaggio di van der Waals) e una migliore comprensione teorica (sempre dalla fisica del grafene), ci ha già permesso di scoprire questo nuovo tipo di QHE nei dispositivi in ​​grafite che abbiamo realizzato.

"Il nostro lavoro è un nuovo trampolino di lancio per ulteriori studi su questo materiale, compresa la fisica a molti corpi, come onde di densità, condensazione eccitonica o cristallizzazione di Wigner".

La grafite qui studiata ha un impilamento naturale (Bernale), ma c'è un altro allotropo stabile della grafite:romboedrico. Finora non sono state riportate misurazioni di trasporto su questo materiale, solo tante previsioni teoriche, tra cui la superconduttività ad alta temperatura e il ferromagnetismo. I ricercatori di Manchester affermano che ora hanno in programma di esplorare anche questo allotropo.

"Per decenni la grafite è stata utilizzata dai ricercatori come una sorta di 'pietra filosofale' in grado di fornire tutti i fenomeni probabili e improbabili, inclusa la superconduttività a temperatura ambiente, " aggiunge Geim con un sorriso. "Il nostro lavoro mostra ciò che è, in linea di principio, possibile in questo materiale, almeno quando è nella sua forma più pura."