Da oltre un decennio, i fisici teorici hanno previsto che la singolarità di van Hove del grafene potrebbe essere associata a diverse fasi esotiche della materia, il più notevole dei quali è la superconduttività chirale.

Una singolarità di van Hove è essenzialmente un punto non liscio nella densità degli stati (DOS) di un solido cristallino. Quando il grafene raggiunge o si avvicina a questo specifico livello di energia, nella sua struttura elettronica si sviluppa una banda piatta che può occupare un numero eccezionalmente elevato di elettroni. Ciò porta a forti interazioni a molti corpi che promuovono o consentono l'esistenza di stati esotici della materia.

Finora, il grado esatto in cui i livelli energetici disponibili di grafene devono essere riempiti di elettroni (cioè, "drogato") in modo che le singole fasi si stabilizzassero è stato molto difficile da determinare utilizzando i calcoli del modello. L'identificazione o la progettazione di tecniche che possono essere utilizzate per drogare il grafene verso o oltre la singolarità di van Hove potrebbe in definitiva portare a osservazioni interessanti relative a fasi esotiche della materia, che a sua volta potrebbe aprire la strada allo sviluppo di una nuova tecnologia basata sul grafene.

Ricercatori del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, La Germania ha recentemente escogitato un approccio al grafene over-dope oltre la singolarità di van Hove. Il loro metodo, presentato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , combina due diverse tecniche, vale a dire intercalazione di itterbio e adsorbimento di potassio.

"Una densità elettronica sintonizzabile sperimentalmente in prossimità della singolarità di van Hove sarebbe altamente desiderabile, "Filippo Rosenzweig, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Esperimenti precedenti hanno dimostrato che il grafene può effettivamente essere stabilizzato ("bloccato") a livello di van Hove e che i portatori di carica possono essere successivamente rimossi da questo scenario di blocco. La domanda che abbiamo posto, però, è possibile anche trasferire più elettroni sullo strato di grafene, superare il pinning di van Hove e l'eccesso di droga oltre la singolarità? A parte la pura prova di principio, questo aprirebbe un parco giochi inesplorato di fasi correlate con promesse entusiasmanti".

Dopare il grafene alla singolarità di van Hove è di per sé un compito impegnativo, in quanto richiede il trasferimento di oltre 100 trilioni (10 ¹⁴ ) elettroni per cm ² sullo strato di grafene. Il drogaggio del grafene può essere ottenuto depositandovi sopra altre specie atomiche, che gli donano alcuni dei loro elettroni.

Un metodo alternativo per drogare il grafene, noto come intercalazione, comporta l'interposizione di agenti droganti tra il grafene e il suo substrato di supporto. Nell'ultimo decennio, questa tecnica si è rivelata molto utile per la messa a punto delle proprietà elettroniche del materiale.

Tipicamente, anche quando gli approcci di deposizione e intercalazione sono combinati, la densità del vettore del grafene è difficile da aumentare a un valore arbitrario. Ciò è principalmente dovuto al fatto che il trasferimento di carica alla fine si saturerà, impedendogli di essere drogato al di sopra di un certo livello.

"Recentemente, abbiamo scoperto che l'intercalazione di alcuni elementi delle terre rare, a causa della loro enorme efficienza antidoping, è già sufficiente fissare il grafene alla sua singolarità di van Hove, " ha detto Rosenzweig. "In tal caso, la superficie del grafene rimane ancora libera di occupare ulteriori droganti. Partendo dallo scenario di van Hove del grafene intercalato con itterbio, depositando atomi di potassio sopra, siamo stati così in grado di aumentare la densità dei portatori di un altro fattore di 1,5, andando ben oltre il livello di singolarità."

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato l'intercalazione dell'itterbio e metodi di adsorbimento del potassio. Questo approccio ha permesso loro di drogare uno strato di grafene posto su un substrato di carburo di silicio semiconduttore (SiC) oltre la singolarità di van Hove, raggiungendo una densità di portatori di carica di 5,5 x 10 ¹⁴ cm ^-2 .

"Potresti paragonare la strategia che abbiamo usato a una situazione della vita quotidiana in cui un oggetto ingombrante deve essere trasportato su per le scale fino all'ultimo piano (nel nostro caso, oltre la singolarità di van Hove), " ha spiegato Rosenzweig. "Questo potrebbe diventare possibile solo spingendo contemporaneamente dal basso (cioè, intercalazione di itterbio) e tirando dall'alto (cioè, adsorbimento di potassio)."

Lo studio condotto da Rosenzweig e dai suoi colleghi dimostra che drogare il grafene oltre la sua singolarità di van Hove in un ambiente sperimentale è di fatto possibile. I ricercatori hanno esaminato il loro sistema di grafene utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia fotoelettronica ad angolo risolta, nei test eseguiti al sincrotrone BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlino. Questo metodo consente la visualizzazione diretta della struttura a bande energetiche del grafene e la sua evoluzione attraverso il doping.

"La fattibilità del doping era in precedenza tutt'altro che chiara, poiché il sistema viene prima bloccato al livello di singolarità occupando un numero enorme di portatori di carica, " disse Rosenzweig. "Praticamente, spingendo il doping del grafene a nuovi livelli, il nostro studio apre anche un nuovo e inesplorato panorama nel diagramma di fase di questo prototipo di materiale bidimensionale. Come tale, speriamo che il nostro lavoro contribuisca a rafforzare la ricerca di stati fondamentali correlati nel grafene monostrato che sarebbe sicuramente di interesse in vari sottocampi della fisica".

Nel futuro, i risultati raccolti da Rosenzweig e dai suoi colleghi potrebbero aprire nuove entusiasmanti possibilità per lo studio di stati esotici della materia nel grafene che è drogato oltre la sua singolarità di van Hove. Inoltre, questo recente studio potrebbe migliorare l'attuale comprensione delle forti interazioni non locali a molti corpi nel grafene drogato con van Hove che si è scoperto avere effetti di deformazione sostanziali sui suoi livelli di energia. I ricercatori hanno dimostrato che tali effetti sono ancora presenti nel regime di sovradosaggio e che diventano sempre più man mano che il grafene si avvicina alla singolarità di van Hove. I dati raccolti potrebbero quindi ispirare anche lo sviluppo di nuovi modelli teorici che vadano oltre la convenzionale teoria del liquido di Fermi.

"Ora che possiamo regolare regolarmente il livello di doping negli esperimenti intorno al livello di van Hove, stiamo cercando una qualsiasi delle varie fasi esotiche previste dalla teoria, " Concluse Rosenzweig. "Per puntare alle stelle, realizzare una superconduttività non convenzionale in un monostrato epitassiale di grafene sarebbe ovviamente una scoperta rivoluzionaria che un giorno potrebbe portare ad applicazioni tecnologiche. In ogni caso, tempi entusiasmanti sono in arrivo per il grafene drogato van-Hove".

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