Scienziati che studiano due diverse configurazioni di grafene a doppio strato:il bidimensionale (2D), forma di carbonio sottile come un atomo:hanno rilevato risonanze elettroniche e ottiche tra gli strati. In questi stati di risonanza, gli elettroni rimbalzano avanti e indietro tra i due piani atomici nell'interfaccia 2D alla stessa frequenza. Caratterizzando questi stati, hanno scoperto che ruotando uno degli strati di grafene di 30 gradi rispetto all'altro, invece di impilare gli strati direttamente uno sopra l'altro, sposta la risonanza a un'energia inferiore. Da questo risultato, appena pubblicato in Lettere di revisione fisica , hanno dedotto che la distanza tra i due strati aumentava notevolmente nella configurazione ritorta, rispetto a quello impilato. Quando questa distanza cambia, così fanno le interazioni tra gli strati, influenzare il modo in cui gli elettroni si muovono nel sistema a doppio strato. La comprensione di questo movimento degli elettroni potrebbe informare la progettazione di future tecnologie quantistiche per un'elaborazione più potente e una comunicazione più sicura.

"I chip dei computer di oggi si basano sulla nostra conoscenza di come si muovono gli elettroni nei semiconduttori, in particolare silicio, " ha detto il primo e co-autore corrispondente Zhongwei Dai, un postdoc nell'Interface Science and Catalysis Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Ma le proprietà fisiche del silicio stanno raggiungendo un limite fisico in termini di come possono essere fatti piccoli transistor e quanti possono stare su un chip. Se riusciamo a capire come si muovono gli elettroni alla piccola scala di pochi nanometri nelle dimensioni ridotte di materiali 2D, potremmo essere in grado di sbloccare un altro modo per utilizzare gli elettroni per la scienza dell'informazione quantistica".

A pochi nanometri, o miliardesimi di metro, la dimensione di un sistema materiale è paragonabile a quella della lunghezza d'onda degli elettroni. Quando gli elettroni sono confinati in uno spazio con dimensioni della loro lunghezza d'onda, le proprietà elettroniche e ottiche del materiale cambiano. Questi effetti di confinamento quantistico sono il risultato del movimento meccanico quantistico simile a un'onda piuttosto che del movimento meccanico classico, in cui gli elettroni si muovono attraverso un materiale e sono dispersi da difetti casuali.

Per questa ricerca, il team ha selezionato un semplice modello di materiale, il grafene, per studiare gli effetti di confinamento quantistico, applicando due diverse sonde:elettroni e fotoni (particelle di luce). Per sondare risonanze sia elettroniche che ottiche, hanno usato un substrato speciale su cui trasferire il grafene. L'autore corrispondente e scienziato del CFN Interface Science and Catalysis Group Jurek Sadowski aveva precedentemente progettato questo substrato per la Quantum Material Press (QPress). Il QPress è uno strumento automatizzato in fase di sviluppo nella struttura di sintesi e caratterizzazione dei materiali CFN per la sintesi, in lavorazione, e caratterizzazione di materiali 2D stratificati. Convenzionalmente, gli scienziati esfoliano i "fiocchi" di materiale 2D dai cristalli genitori 3D (ad es. grafene da grafite) su un substrato di biossido di silicio spesso diverse centinaia di nanometri. Però, questo substrato è isolante, e quindi le tecniche di interrogazione basate sugli elettroni non funzionano. Così, Sadowski e lo scienziato CFN Chang-Yong Nam e lo studente laureato alla Stony Brook University Ashwanth Subramanian hanno depositato uno strato conduttivo di ossido di titanio di soli tre nanometri di spessore sul substrato di biossido di silicio.

"Questo strato è abbastanza trasparente per la caratterizzazione ottica e la determinazione dello spessore dei fiocchi esfoliati e dei monostrati impilati mentre è abbastanza conduttivo per la microscopia elettronica o le tecniche di spettroscopia a base di sincrotrone, " ha spiegato Sadowski.

Nel gruppo Charlie Johnson dell'Università della Pennsylvania—Rebecca W. Bushnell Professore di fisica e astronomia Charlie Johnson, postdoc Qicheng Zhang, e l'ex postdoc Zhaoli Gao (ora assistente professore presso l'Università cinese di Hong Kong) ha coltivato il grafene su fogli di metallo e lo ha trasferito sul substrato di ossido di titanio/biossido di silicio. Quando il grafene viene coltivato in questo modo, tutti e tre i domini (single layer, impilato, e contorto) sono presenti.

Quindi, Dai e Sadowski hanno progettato e condotto esperimenti in cui hanno sparato elettroni nel materiale con un microscopio elettronico a bassa energia (LEEM) e hanno rilevato gli elettroni riflessi. Hanno anche sparato fotoni da un microscopio ottico basato su laser con uno spettrometro nel materiale e hanno analizzato lo spettro della luce diffusa all'indietro. Questo microscopio Raman confocale fa parte del catalogatore QPress, che insieme al software di analisi delle immagini, può individuare le posizioni delle aree campione di interesse.

"Il microscopio QPress Raman ci ha permesso di identificare rapidamente l'area del campione target, accelerare la nostra ricerca, " disse Dai.

I loro risultati hanno suggerito che la distanza tra gli strati nella configurazione di grafene attorcigliata è aumentata di circa il 6% rispetto alla configurazione non attorcigliata. I calcoli dei teorici dell'Università del New Hampshire hanno verificato l'esclusivo comportamento elettronico risonante nella configurazione contorta.

"I dispositivi fatti di grafene ruotato possono avere proprietà molto interessanti e inaspettate a causa della maggiore distanza tra gli strati in cui gli elettroni possono muoversi, ", ha detto Sadowski.

Prossimo, il team produrrà dispositivi con il grafene attorcigliato. Il team si baserà anche sugli esperimenti iniziali condotti dallo scienziato dello staff CFN Samuel Tenney e dai postdoc del CFN Calley Eads e Nikhil Tiwale per esplorare come l'aggiunta di materiali diversi alla struttura a strati influisca sulle sue proprietà elettroniche e ottiche.

"In questa prima ricerca, abbiamo scelto il sistema materiale 2D più semplice che possiamo sintetizzare e controllare per capire come si comportano gli elettroni, " ha detto Dai. " Abbiamo in programma di continuare questi tipi di studi fondamentali, speriamo di far luce su come manipolare i materiali per l'informatica e le comunicazioni quantistiche".