Un team di ricercatori delle Università di Manchester, Nottingham e Loughborough hanno scoperto un fenomeno quantistico che aiuta a comprendere i limiti fondamentali dell'elettronica del grafene.

Pubblicato in Comunicazioni sulla natura , il lavoro descrive come gli elettroni in un singolo foglio atomicamente sottile di grafene disperdono gli atomi di carbonio vibranti che compongono il reticolo cristallino esagonale.

Applicando un campo magnetico perpendicolare al piano del grafene, gli elettroni che trasportano corrente sono costretti a muoversi in orbite circolari chiuse "ciclotrone". Nel grafene puro, l'unico modo in cui un elettrone può sfuggire da questa orbita è facendo rimbalzare un "fonone" in un evento di dispersione. Questi fononi sono fasci di energia e quantità di moto simili a particelle e sono i "quanti" delle onde sonore associate all'atomo di carbonio vibrante. I fononi vengono generati in numero crescente quando il cristallo di grafene viene riscaldato da temperature molto basse.

Facendo passare una piccola corrente elettrica attraverso il foglio di grafene, il team è stato in grado di misurare con precisione la quantità di energia e quantità di moto che viene trasferita tra un elettrone e un fonone durante un evento di dispersione.

Il loro esperimento ha rivelato che due tipi di fononi disperdono gli elettroni:fononi acustici trasversali (TA) in cui gli atomi di carbonio vibrano perpendicolarmente alla direzione della propagazione dei fononi e del moto ondoso (in qualche modo analogo alle onde superficiali sull'acqua) e fononi acustici longitudinali (LA) in cui gli atomi di carbonio vibrano avanti e indietro lungo la direzione del fonone e del moto ondoso; (questo moto è in qualche modo analogo al moto delle onde sonore attraverso l'aria).

Le misurazioni forniscono una misura molto accurata della velocità di entrambi i tipi di fononi, una misura altrimenti difficile da fare nel caso di un singolo strato atomico. Un importante risultato degli esperimenti è la scoperta che lo scattering fononico TA domina lo scattering fononico LA.

Il fenomeno osservato, comunemente indicato come oscillazione magnetofonone, è stata misurata in molti semiconduttori anni prima della scoperta del grafene. È uno dei più antichi fenomeni di trasporto quantistico noto da più di 50 anni, antecedente all'effetto Hall quantistico. Considerando che il grafene possiede una serie di novità, proprietà elettroniche esotiche, questo fenomeno piuttosto fondamentale è rimasto nascosto.

Laurence Eaves e Roshan Krishna Kumar, i co-autori del lavoro hanno dichiarato:"Siamo rimasti piacevolmente sorpresi di trovare oscillazioni magnetofononiche così importanti che appaiono nel grafene. Eravamo anche perplessi perché le persone non le avessero viste prima, considerando la vasta quantità di letteratura sul trasporto quantistico nel grafene."

Il loro aspetto richiede due ingredienti chiave. Primo, il team ha dovuto fabbricare transistor al grafene di alta qualità con ampie aree presso il National Graphene Institute. Se le dimensioni del dispositivo sono inferiori a pochi micrometri il fenomeno non potrebbe essere osservato.

Piranavan Kumaravadivel dell'Università di Manchester, L'autore principale dell'articolo ha dichiarato:"All'inizio degli esperimenti sul trasporto quantistico, persone abituate a studiare macroscopiche, cristalli di dimensioni millimetriche. Nella maggior parte del lavoro sul trasporto quantistico sul grafene, i dispositivi studiati hanno tipicamente una dimensione di pochi micrometri. Sembra che realizzare dispositivi al grafene più grandi non sia importante solo per le applicazioni, ma ora anche per gli studi fondamentali".

Il secondo ingrediente è la temperatura. La maggior parte degli esperimenti di trasporto quantistico di grafene vengono eseguiti a temperature ultra fredde per rallentare la vibrazione degli atomi di carbonio e "congelare" i fononi che di solito rompono la coerenza quantistica. Perciò, il grafene viene riscaldato poiché i fononi devono essere attivi per causare l'effetto.

Marco Greenaway, dell'Università di Loughborough, che ha lavorato alla teoria quantistica di questo effetto, disse, "Questo risultato è estremamente eccitante:apre una nuova strada per sondare le proprietà dei fononi nei cristalli bidimensionali e le loro eterostrutture. Questo ci consentirà di comprendere meglio le interazioni elettrone-fonone in questi materiali promettenti, comprensione di ciò che è vitale per svilupparli per l'uso in nuovi dispositivi e applicazioni."