Dalla scoperta del grafene nel 2004, gli scienziati hanno cercato modi per mettere questo talento, materiale 2-D atomicamente sottile per lavorare. Più sottile di un singolo filamento di DNA ma 200 volte più forte dell'acciaio, il grafene è un ottimo conduttore di elettricità e calore, e può adattarsi a qualsiasi numero di forme, da un foglio 2-D ultrasottile, ad un circuito elettronico.

L'anno scorso, un team di ricercatori guidati da Feng Wang, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e un professore di fisica all'Università di Berkeley, ha sviluppato un dispositivo multitasking al grafene che passa da un superconduttore che conduce in modo efficiente l'elettricità, ad un isolante che resiste al flusso di corrente elettrica, e di nuovo a un superconduttore.

Ora, come riportato oggi sul giornale Natura , i ricercatori hanno sfruttato il talento del loro sistema di grafene per destreggiarsi non solo tra due proprietà, ma tre:superconduttore, isolante, e un tipo di magnetismo chiamato ferromagnetismo. Il dispositivo multitasking potrebbe rendere possibili nuovi esperimenti di fisica, come la ricerca alla ricerca di un circuito elettrico più veloce, elettronica di nuova generazione come le tecnologie di calcolo quantistico.

"Finora, materiali che mostrano contemporaneamente superconduttori, isolante, e le proprietà magnetiche sono state molto rare. E la maggior parte delle persone credeva che sarebbe stato difficile indurre il magnetismo nel grafene, perché in genere non è magnetico. Il nostro sistema al grafene è il primo a combinare tutte e tre le proprietà in un unico campione, " disse Guorui Chen, un ricercatore post-dottorato nell'Ultrafast Nano-Optics Group di Wang presso l'UC Berkeley, e l'autore principale dello studio.

Usare l'elettricità per attivare il potenziale nascosto del grafene

Il grafene ha un grande potenziale nel mondo dell'elettronica. La sua struttura atomicamente sottile, combinato con la sua robusta conducibilità elettronica e termica, "potrebbe offrire un vantaggio unico nello sviluppo dell'elettronica di prossima generazione e dei dispositivi di memorizzazione, " disse Chen, che ha anche lavorato come ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab al momento dello studio.

Il problema è che i materiali magnetici utilizzati oggi nell'elettronica sono costituiti da metalli ferromagnetici, come le leghe di ferro o cobalto. Materiali ferromagnetici, come il comune magnete a barra, hanno un polo nord e un polo sud. Quando si utilizzano materiali ferromagnetici per memorizzare dati sul disco rigido di un computer, questi poli puntano in alto o in basso, che rappresentano zeri e uno, chiamati bit.

Grafene, però, non è fatto di un metallo magnetico, è fatto di carbonio.

Quindi gli scienziati hanno escogitato una soluzione creativa.

Hanno progettato un dispositivo ultrasottile, solo 1 nanometro di spessore, caratterizzato da tre strati di grafene atomicamente sottile. Quando inserito tra strati 2-D di nitruro di boro, gli strati di grafene, descritti nello studio come grafene a tre strati, formano uno schema ripetuto chiamato superreticolo moiré.

Applicando tensioni elettriche attraverso le porte del dispositivo al grafene, la forza dell'elettricità che spinge gli elettroni nel dispositivo a girare nella stessa direzione, come piccole auto che corrono su una pista. Ciò ha generato un forte momento che ha trasformato il dispositivo al grafene in un sistema ferromagnetico.

Ulteriori misurazioni hanno rivelato una nuova sorprendente serie di proprietà:l'interno del sistema di grafene non era solo diventato magnetico ma anche isolante; e nonostante il magnetismo, i suoi bordi esterni si sono trasformati in canali di corrente elettronica che si muovono senza resistenza. Tali proprietà caratterizzano una rara classe di isolanti noti come isolanti Chern, hanno detto i ricercatori.

Ancora più sorprendente, i calcoli del coautore Ya-Hui Zhang del Massachusetts Institute of Technology hanno rivelato che il dispositivo al grafene non ne ha solo uno, ma due bordi conduttivi, rendendolo il primo "isolante Chern di alto ordine" osservato, " una conseguenza delle forti interazioni elettrone-elettrone nel grafene a tre strati.

Gli scienziati sono alla ricerca degli isolanti Chern in un campo di ricerca noto come topologia, che indaga gli stati esotici della materia. Gli isolanti Chern offrono potenziali nuovi modi per manipolare le informazioni in un computer quantistico, dove i dati sono memorizzati in bit quantistici, o qubit. Un qubit può rappresentare uno, uno zero, o uno stato in cui è contemporaneamente uno e zero.

"La nostra scoperta dimostra che il grafene è una piattaforma ideale per studiare fisica diversa, che vanno dalla fisica delle singole particelle, alla superconduttività, e ora fisica topologica per studiare le fasi quantistiche della materia in materiali 2-D, " Ha detto Chen. "È eccitante che ora possiamo esplorare una nuova fisica in un minuscolo dispositivo spesso solo 1 milionesimo di millimetro".

I ricercatori sperano di condurre più esperimenti con il loro dispositivo al grafene per avere una migliore comprensione di come è emerso l'isolante/magnete Chern, e la meccanica dietro le sue proprietà insolite.