Dalla scoperta del grafene più di 15 anni fa, i ricercatori hanno partecipato a una corsa globale per sbloccare le sue proprietà uniche. Non solo il grafene, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo disposto in un reticolo esagonale, è il più forte, materiale più sottile che l'uomo conosca, è inoltre un ottimo conduttore di calore ed elettricità.

Ora, un team di ricercatori della Columbia University e dell'Università di Washington ha scoperto che una varietà di stati elettronici esotici, compresa una rara forma di magnetismo, può sorgere in una struttura di grafene a tre strati.

I risultati appaiono in un articolo pubblicato il 12 ottobre in Fisica della natura .

Il lavoro è stato ispirato da recenti studi su monostrati ritorti o doppi strati ritorti di grafene, composto da due o quattro fogli totali. È stato scoperto che questi materiali ospitano una serie di stati elettronici insoliti guidati da forti interazioni tra gli elettroni.

"Ci siamo chiesti cosa sarebbe successo se avessimo unito monostrati e doppi strati di grafene in un sistema a tre strati attorcigliato, " ha detto Cory Dean, un professore di fisica alla Columbia University e uno degli autori senior del documento. "Abbiamo scoperto che la variazione del numero di strati di grafene conferisce a questi materiali compositi alcune nuove proprietà entusiasmanti che non erano mai state viste prima".

Oltre a Decano, L'assistente professore Matthew Yankowitz e il professor Xiaodong Xu, sia nei dipartimenti di fisica e scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università di Washington, sono autori senior del lavoro. Shaowen Chen, laureata alla Columbia, e lo studente laureato dell'Università di Washington Minhao He sono i co-autori principali del documento.

Per condurre il loro esperimento, i ricercatori hanno impilato un foglio monostrato di grafene su un foglio a doppio strato e li hanno attorcigliati di circa 1 grado. A temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, il team ha osservato una serie di stati isolanti, che non conducono elettricità, guidati da forti interazioni tra gli elettroni. Hanno anche scoperto che questi stati potrebbero essere controllati applicando un campo elettrico attraverso i fogli di grafene.

"Abbiamo imparato che la direzione di un campo elettrico applicato conta molto, "ha detto Yankowitz, che è anche un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Dean.

Quando i ricercatori hanno puntato il campo elettrico verso il foglio di grafene monostrato, il sistema assomigliava al grafene a doppio strato attorcigliato. Ma quando hanno invertito la direzione del campo elettrico e lo hanno puntato verso il foglio di grafene a doppio strato, imitava il grafene a doppio strato attorcigliato, la struttura a quattro strati.

Il team ha anche scoperto nuovi stati magnetici nel sistema. A differenza dei magneti convenzionali, che sono guidati da una proprietà quantomeccanica degli elettroni chiamata "spin, " un movimento vorticoso collettivo degli elettroni nella struttura a tre strati del team è alla base del magnetismo, hanno osservato.

Questa forma di magnetismo è stata scoperta recentemente da altri ricercatori in varie strutture di grafene poggiate su cristalli di nitruro di boro. Il team ha ora dimostrato che può essere osservato anche in un sistema più semplice costruito interamente con grafene.

"Il carbonio puro non è magnetico, " disse Yankowitz. " Sorprendentemente, possiamo progettare questa proprietà disponendo i nostri tre fogli di grafene con i giusti angoli di torsione".

Oltre al magnetismo, lo studio ha scoperto segni di topologia nella struttura. Come fare diversi tipi di nodi in una corda, le proprietà topologiche del materiale possono portare a nuove forme di memorizzazione delle informazioni, che "potrebbe essere una piattaforma per il calcolo quantistico o nuovi tipi di applicazioni di archiviazione dati ad alta efficienza energetica, " disse Xu.

Per adesso, stanno lavorando su esperimenti per comprendere ulteriormente le proprietà fondamentali dei nuovi stati che hanno scoperto in questa piattaforma. "Questo è davvero solo l'inizio, ", ha detto Yankowitz.