Una rappresentazione di un substrato accuratamente progettato che provoca l'ondulazione di un foglio di grafene depositato. Questa distorsione genera correnti che risiedono solo su un lato della struttura del nanoribbon. Credito:Võ Tiến Phong
Da quando il grafene è stato isolato e caratterizzato per la prima volta all'inizio degli anni 2000, i ricercatori hanno esplorato modi per utilizzare questo nanomateriale atomicamente sottile grazie alle sue proprietà uniche come l'elevata resistenza alla trazione e conducibilità.
In anni più recenti, è stato dimostrato che il grafene a doppio strato contorto, composto da due fogli di grafene attorcigliati a uno specifico angolo "magico", ha superconduttività, il che significa che può condurre elettricità con pochissima resistenza. Tuttavia, l'utilizzo di questo approccio per realizzare dispositivi rimane impegnativo a causa della bassa resa della fabbricazione di grafene a doppio strato contorto.
Ora, un nuovo studio mostra come le deformazioni periodiche modellate di un singolo strato di grafene lo trasformino in un materiale con proprietà elettroniche precedentemente viste nei doppi strati di grafene contorto. Questo sistema ospita anche ulteriori stati di conduzione inaspettati e interessanti al confine. Attraverso una migliore comprensione di come si verificano proprietà uniche quando singoli fogli di grafene sono soggetti a sollecitazioni periodiche, questo lavoro ha il potenziale per creare dispositivi quantistici come magneti orbitali e superconduttori in futuro. Lo studio, pubblicato in Physical Review Letters , è stato condotto dallo studente laureato Võ Tiến Phong e dal professor Eugene Mele presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Penn presso la School of Arts &Sciences.
Un'alternativa al complesso metodo del doppio strato contorto consiste nell'utilizzare singoli strati di grafene che vengono posizionati su un substrato accuratamente modellato, noto come "letto di chiodi", che applica una forza esterna, o deformazione, in modo periodico. Per comprendere meglio le proprietà della geometria quantistica di questo sistema, Mele e Phong hanno deciso di comprendere la teoria alla base del modo in cui gli elettroni si muovono in questo sistema a strato singolo.
Dopo aver eseguito simulazioni al computer di esperimenti a strato singolo, i ricercatori sono rimasti sorpresi di trovare nuove prove di fenomeni inaspettati lungo la superficie del materiale ma solo lungo un lato. "In genere, la topologia nel bulk si associa alle proprietà della superficie e, in tal caso, tutte le superfici ereditano la proprietà", afferma Mele. "Qui, il fatto che ci fossero modalità edge su un lato e non sull'altro mi ha colpito come profondamente insolito."
Questa scoperta è stata inaspettata perché in questo sistema il campo pseudomagnetico medio, indotto quando il sistema è teso, era zero:positivo in un'area ma negativo nell'altra, cosa che i ricercatori hanno ipotizzato annullerebbe qualsiasi fenomeno unico. "Se il campo magnetico è zero, probabilmente non otterrai alcuna fisica interessante", afferma Phong. "Al contrario, abbiamo scoperto che anche se il campo magnetico medio è zero, ti dà comunque un po' di fisica interessante al limite."
Per spiegare questo risultato inaspettato, Phong ha esaminato più da vicino un sistema sperimentale simile in cui i singoli fogli di grafene sono piegati per simulare un campo indotto dalla deformazione costante anziché periodica. Phong ha scoperto che questo sistema aveva lo stesso indice topologico, il che significa che si sarebbero verificati anche stati di spigolo che prosperano solo su un lato specifico del materiale. "La fisica qui era simile e sembrava essere la giusta spiegazione per la fenomenologia su cui stavamo lavorando", dice Phong.
Nel complesso, questo studio prevede che le bande piatte, simili a quelle che si trovano nel grafene a doppio strato contorto, siano create depositando uno strato singolo atomicamente sottile su un substrato di letto d'unghia che induce una distorsione periodica sul foglio di grafene.
I ricercatori stanno già procedendo verso una comprensione ancora più profonda di questi sistemi a strato singolo. Una strada per ulteriori ricerche prevede una collaborazione con il professore assistente Bo Zhen per studiare lo stesso fenomeno utilizzando le onde luminose. I ricercatori sono anche interessati a vedere se altre proprietà uniche che esistono nel grafene a doppio strato contorto potrebbero verificarsi anche all'interno di sistemi a strato singolo.
"Sebbene la fisica sia semplice, il che significa che puoi far sì che il sistema si comporti come desideri in un modo più controllato, la fenomenologia da cui puoi uscirne non lo è. È molto ricca e stiamo ancora scoprendo nuove cose mentre parliamo", dice Phong.
E poiché questi sistemi a strato singolo sono più semplici da utilizzare, questa migliore comprensione teorica ha il potenziale per aiutare in future scoperte nel campo della fisica degli stati marginali, inclusi possibili nuovi dispositivi come materiali quantistici ultra piccoli e incredibilmente veloci.
"C'è un enorme sforzo in questo momento per capire questi doppi strati di grafene contorti, e penso che una domanda interessante che stiamo inchiodando qui sia gli ingredienti essenziali di un sistema fisico che potrebbe effettivamente farlo", afferma Mele. "Stiamo costruendo strutture artificiali che non potresti costruire dall'alto verso il basso su una scala di lunghezza interessante - più grande degli atomi, più piccola di quanto puoi fare con la litografia - e, se ne hai il controllo, ci sono molte cose che può fare." + Esplora ulteriormente
