Un gruppo di ricercatori guidati da Sir Andre Geim e dal dottor Alexey Berdyugin dell'Università di Manchester ha scoperto e caratterizzato una nuova famiglia di quasiparticelle denominate "fermioni Brown-Zak" in superreticoli a base di grafene.

Il team ha raggiunto questa svolta allineando il reticolo atomico di uno strato di grafene a quello di un foglio isolante di nitruro di boro, modificando drasticamente le proprietà del foglio di grafene.

Lo studio segue anni di progressi successivi nei superreticoli di nitruro di grafene-boro che hanno permesso l'osservazione di un modello frattale noto come farfalla di Hofstadter, e oggi (venerdì, 13 novembre) i ricercatori riportano un altro comportamento altamente sorprendente delle particelle in tali strutture sotto il campo magnetico applicato.

"È risaputo, che in campo magnetico nullo, gli elettroni si muovono in traiettorie diritte e se applichi un campo magnetico iniziano a piegarsi e a muoversi in cerchio", spiegano Julien Barrier e il Dr. Piranavan Kumaravadivel, che ha svolto il lavoro sperimentale.

"In uno strato di grafene che è stato allineato con il nitruro di boro, anche gli elettroni iniziano a piegarsi, ma se imposti il ​​campo magnetico su valori specifici, gli elettroni si muovono di nuovo in traiettorie rettilinee, come se non ci fosse più campo magnetico!"

"Tale comportamento è radicalmente diverso dalla fisica dei libri di testo". aggiunge il dottor Piranavan Kumaravadivel.

"Attribuiamo questo affascinante comportamento alla formazione di nuove quasiparticelle ad alto campo magnetico, " dice il dottor Alexey Berdyugin. "Queste quasiparticelle hanno le loro proprietà uniche e una mobilità eccezionalmente elevata nonostante il campo magnetico estremamente elevato".

Come pubblicato in Comunicazioni sulla natura , il lavoro descrive come si comportano gli elettroni in un superreticolo di grafene di altissima qualità con una struttura rivista per le caratteristiche frattali della farfalla di Hofstadter. I miglioramenti fondamentali nella fabbricazione di dispositivi in ​​grafene e nelle tecniche di misurazione nell'ultimo decennio hanno reso possibile questo lavoro.

"Il concetto di quasiparticelle è probabilmente uno dei più importanti nella fisica della materia condensata e nei sistemi quantistici a molti corpi. È stato introdotto dal fisico teorico Lev Landau negli anni '40 per descrivere gli effetti collettivi come una 'eccitazione di una particella', " spiega Julien Barrier "Sono utilizzati in una serie di sistemi complessi per tenere conto degli effetti a molti corpi".

Fino ad ora, il comportamento degli elettroni collettivi nei superreticoli di grafene è stato pensato nei termini del fermione di Dirac, una quasiparticella che ha proprietà uniche simili ai fotoni (particelle senza massa), che si replicano ad alti campi magnetici. Però, questo non ha tenuto conto di alcune caratteristiche sperimentali, come l'ulteriore degenerazione degli stati, né corrispondeva alla massa finita della quasiparticella in questo stato.

Gli autori propongono che i "fermioni Brown-Zak" siano la famiglia di quasiparticelle esistenti nei superreticoli sotto un alto campo magnetico. Questo è caratterizzato da un nuovo numero quantico che può essere misurato direttamente. interessante, lavorare a temperature più basse ha permesso loro di sollevare la degenerazione con interazioni di scambio a temperature ultra basse.

"In presenza di un campo magnetico, gli elettroni nel grafene iniziano a ruotare con orbite quantizzate. Per i fermioni di Brown-Zak, siamo riusciti a ripristinare una traiettoria rettilinea di decine di micrometri sotto elevati campi magnetici fino a 16T (500, 000 volte il campo magnetico terrestre). In condizioni specifiche, le quasiparticelle balistiche non percepiscono un campo magnetico efficace, " spiegano il dottor Kumaravadivel e il dottor Berdyugin.

In un sistema elettronico, la mobilità è definita come la capacità di una particella di viaggiare in seguito all'applicazione di una corrente elettrica. L'elevata mobilità è stata a lungo il Santo Graal durante la fabbricazione di sistemi 2-D come il grafene perché tali materiali presenterebbero proprietà aggiuntive (effetti di sala quantistica interi e frazionari), e potenzialmente consentire la creazione di transistor ad altissima frequenza, i componenti al centro del processore di un computer.

"Per questo studio abbiamo preparato dispositivi in ​​grafene extra-large con un livello di purezza molto elevato". dice il dottor Kumaravadivel. Questo ci ha permesso di raggiungere mobilità di diversi milioni di cm²/Vs, il che significa che le particelle viaggeranno dritte attraverso l'intero dispositivo senza disperdersi. È importante sottolineare che questo non era solo il caso dei classici fermioni di Dirac nel grafene, ma realizzato anche per i fermioni Brown-Zak riportati nel lavoro.

Questi fermioni Brown-Zak definiscono nuovi stati metallici, che sono generici a qualsiasi sistema di superreticolo, non solo grafene e offre un terreno di gioco per nuovi problemi di fisica della materia condensata in altri superreticoli basati su materiali 2-D.

Julien Barrier ha aggiunto:"I risultati sono importanti, naturalmente per gli studi fondamentali sul trasporto degli elettroni, ma crediamo che la comprensione delle quasiparticelle in nuovi dispositivi a superreticolo sotto elevati campi magnetici possa portare allo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici".

L'elevata mobilità significa che un transistor realizzato con un tale dispositivo potrebbe funzionare a frequenze più elevate, consentendo a un processore realizzato con questo materiale di eseguire più calcoli per unità di tempo, risultando in un computer più veloce. L'applicazione di un campo magnetico di solito riduce la mobilità e rende un dispositivo del genere inutilizzabile per determinate applicazioni. L'elevata mobilità dei fermioni Brown-Zak ad alti campi magnetici apre una nuova prospettiva per i dispositivi elettronici che operano in condizioni estreme.