Gli scienziati possono avere obiettivi ambiziosi:curare le malattie, esplorando mondi lontani, rivoluzioni di energia pulita. Nella fisica e nella ricerca sui materiali, alcuni di questi obiettivi ambiziosi sono realizzare oggetti dal suono ordinario con proprietà straordinarie:cavi in ​​grado di trasportare energia senza alcuna perdita di energia, o computer quantistici in grado di eseguire calcoli complessi che i computer di oggi non possono raggiungere. E i banchi di lavoro emergenti per gli esperimenti che ci portano gradualmente verso questi obiettivi sono materiali 2-D, fogli di materiale che sono spessi un singolo strato di atomi.

In un articolo pubblicato il 14 settembre sulla rivista Fisica della natura , un team guidato dall'Università di Washington riferisce che pile di grafene accuratamente costruite, una forma 2-D di carbonio, possono esibire proprietà degli elettroni altamente correlate. Il team ha anche trovato prove che questo tipo di comportamento collettivo è probabilmente correlato all'emergere di stati magnetici esotici.

"Abbiamo creato una configurazione sperimentale che ci consente di manipolare gli elettroni negli strati di grafene in una serie di nuovi entusiasmanti modi, " ha detto il co-autore senior Matthew Yankowitz, un assistente professore UW di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali, così come un ricercatore di facoltà presso il Clean Energy Institute dell'UW.

Yankowitz ha guidato la squadra con il co-autore senior Xiaodong Xu, un professore UW di fisica e di scienza e ingegneria dei materiali. Xu è anche un ricercatore di facoltà presso l'UW Molecular Engineering and Sciences Institute, l'UW Institute for Nano-Engineered Systems e l'UW Clean Energy Institute.

Poiché i materiali 2-D sono spessi uno strato di atomi, i legami tra gli atomi si formano solo in due dimensioni e le particelle come gli elettroni possono muoversi solo come i pezzi di un gioco da tavolo:da lato a lato, fronte-retro o in diagonale, ma non su o giù. Queste restrizioni possono conferire ai materiali 2-D proprietà che mancano alle loro controparti 3-D, e gli scienziati hanno sondato fogli 2-D di materiali diversi per caratterizzare e comprendere queste qualità potenzialmente utili.

Ma negli ultimi dieci anni, scienziati come Yankowitz hanno anche iniziato a stratificare materiali 2-D, come una pila di frittelle, e hanno scoperto che, se impilati e ruotati in una configurazione particolare ed esposti a temperature estremamente basse, questi strati possono esibire proprietà esotiche e inaspettate.

Il team di UW ha lavorato con elementi costitutivi di grafene a doppio strato:due fogli di grafene naturalmente stratificati insieme. Hanno impilato un doppio strato sopra l'altro, per un totale di quattro strati di grafene, e li hanno attorcigliati in modo che la disposizione degli atomi di carbonio tra i due strati fosse leggermente disallineata. Ricerche precedenti hanno dimostrato che l'introduzione di questi piccoli angoli di torsione tra singoli strati o doppi strati di grafene può avere grandi conseguenze sul comportamento dei loro elettroni. Con configurazioni specifiche del campo elettrico e della distribuzione della carica attraverso i doppi strati sovrapposti, gli elettroni mostrano comportamenti altamente correlati. In altre parole, iniziano tutti a fare la stessa cosa, oa mostrare le stesse proprietà, allo stesso tempo.

"In questi casi, non ha più senso descrivere cosa sta facendo un singolo elettrone, ma quello che fanno tutti gli elettroni in una volta, ", ha detto Yankowitz.

"È come avere una stanza piena di persone in cui un cambiamento nel comportamento di una persona farà sì che tutti gli altri reagiscano allo stesso modo, " ha detto l'autore principale Minhao He, uno studente di dottorato in fisica dell'UW ed ex membro del Clean Energy Institute.

La meccanica quantistica è alla base di queste proprietà correlate, e poiché i doppi strati di grafene impilati hanno una densità superiore a 10^12, o un trilione, elettroni per centimetro quadrato, molti elettroni si comportano collettivamente.

Il team ha cercato di svelare alcuni dei misteri degli stati correlati nella loro configurazione sperimentale. A temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, il team ha scoperto che potevano "sintonizzare" il sistema in un tipo di stato isolante correlato, dove non condurrebbe alcuna carica elettrica. Vicino a questi stati isolanti, il team ha trovato sacche di stati altamente conduttivi con caratteristiche che ricordano la superconduttività.

Sebbene altre squadre abbiano recentemente segnalato questi stati, le origini di queste caratteristiche sono rimaste un mistero. Ma il lavoro del team UW ha trovato prove per una possibile spiegazione. Hanno scoperto che questi stati sembravano essere guidati da una proprietà quantomeccanica degli elettroni chiamata "spin", un tipo di momento angolare. Nelle regioni vicine agli stati isolanti correlati, hanno trovato prove che tutti gli spin degli elettroni si allineano spontaneamente. Questo può indicare che, vicino alle regioni che mostrano stati isolanti correlati, sta emergendo una forma di ferromagnetismo, non la superconduttività. Ma sarebbero necessari ulteriori esperimenti per verificarlo.

Queste scoperte sono l'ultimo esempio delle tante sorprese che ci attendono quando si conducono esperimenti con materiali 2D.

"Molto di ciò che stiamo facendo in questa linea di ricerca è cercare di creare, comprendere e controllare gli stati elettronici emergenti, che può essere correlato o topologico, o possedere entrambe le proprietà, " ha detto Xu. "Potremmo fare molto con questi stati lungo la strada:una forma di calcolo quantistico, un nuovo dispositivo per la raccolta di energia, o alcuni nuovi tipi di sensori, per esempio, e francamente non lo sapremo finché non ci proveremo."

Intanto, aspettati pile, doppi strati e angoli di torsione per continuare a creare onde.