Sono necessari nuovi materiali per ridurre ulteriormente le dimensioni dei componenti elettronici e quindi rendere più veloci ed efficienti dispositivi come laptop e smartphone. Piccole nanostrutture del nuovo materiale grafene sono promettenti in questo senso. Il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio e, tra l'altro, ha una conducibilità elettrica molto elevata. Però, l'estremo confinamento spaziale in tali nanostrutture influenza fortemente le loro proprietà elettroniche. Un team guidato dal professor Michael Bonitz dell'Istituto di fisica teorica e astrofisica (ITAP) dell'Università di Kiel è ora riuscito a simulare il comportamento dettagliato degli elettroni in queste speciali nanostrutture utilizzando un elaborato modello computazionale. Questa conoscenza è cruciale per il potenziale uso delle nanostrutture di grafene nei dispositivi elettronici.

Simulazione precisa delle proprietà degli elettroni nelle nanostrutture

L'anno scorso, due gruppi di ricerca sono riusciti indipendentemente l'uno dall'altro a fabbricare stretti, nanonastri di grafene atomicamente precisi e misurando le loro energie di elettroni. La larghezza dei nanonastri varia in modo controllato con precisione. Ogni sezione dei nanonastri ha i propri stati energetici con la propria struttura elettronica. "Però, i risultati della misurazione non potevano essere completamente riprodotti dai modelli teorici precedenti, "dice Bonitz, che presiede la Cattedra di Fisica Statistica all'ITAP. Insieme al suo dottorato di ricerca. lo studente Jan-Philip Joost e il loro collega danese, il professor Antti-Pekka Jauho dell'Università tecnica della Danimarca (DTU), hanno sviluppato un modello migliorato che ha portato a un eccellente accordo con gli esperimenti. I fisici presentano i loro risultati teorici nell'attuale numero della rinomata rivista Nano lettere .

La base per le nuove e più precise simulazioni al computer era il presupposto che le deviazioni tra l'esperimento ei modelli precedenti fossero causate dai dettagli della mutua repulsione degli elettroni. Sebbene questa interazione di Coulomb esista anche nei metalli, e in effetti è stato incluso nelle simulazioni precedenti in modo approssimativo, l'effetto è molto maggiore nei piccoli nanonastri di grafene, e richiede un'analisi dettagliata. Gli elettroni vengono espulsi dai loro stati energetici originali e devono "cercare" altri luoghi, come spiega Bonitz:"Siamo stati in grado di dimostrare che gli effetti di correlazione dovuti all'interazione coulombiana degli elettroni hanno un'influenza drammatica sullo spettro energetico locale".

La forma dei nanonastri determina le loro proprietà elettroniche

Come i valori energetici ammissibili degli elettroni dipendono dalla lunghezza, larghezza, e la forma delle nanostrutture è stata chiarita dal team studiando molti di questi nanonastri. "Lo spettro energetico cambia anche quando la geometria dei nanonastri, la loro larghezza, e forma, è modificato, " aggiunge Joost. "Per la prima volta, i nostri nuovi dati consentono di fare previsioni precise su come lo spettro energetico può essere controllato variando in modo specifico la forma dei nanonastri, " afferma Jauho del DTU di Copenaghen. I ricercatori sperano che queste previsioni ora vengano testate anche sperimentalmente e portino allo sviluppo di nuove nanostrutture. Tali sistemi possono dare importanti contributi all'ulteriore miniaturizzazione dell'elettronica.