Il grafene a doppio strato ritorto è un materiale bidimensionale (2D) a base di carbonio comprendente due strati di grafene. Sebbene molti scienziati abbiano recentemente iniziato a esplorare il suo potenziale di superconduttività e magnetismo, finora ci sono stati pochissimi studi ottici che lo hanno esaminato.

Il grafene a doppio strato ritorto può mostrare proprietà molto diverse rispetto a quelle dei singoli strati di grafene, specialmente quando i due strati di cui è composto sono ruotati l'uno rispetto all'altro di un piccolo angolo, circa 1 grado. Indagare e sondare queste proprietà potrebbe essere estremamente prezioso, in quanto potrebbe in definitiva migliorare l'attuale comprensione della superconduttività e facilitarne l'uso per lo sviluppo di nuovi dispositivi.

I ricercatori dell'Institute of Photonics Sciences di Barcellona e del Massachusetts Institute of Technology (MIT), nonché di altri istituti in tutto il mondo, hanno recentemente condotto uno studio volto a sondare le eccitazioni collettive del grafene a doppio strato contorto con una risoluzione spaziale di 20 nm, utilizzando una tecnica ottica nota come microscopia ottica a campo vicino nel medio infrarosso. I loro sforzi, delineati in un articolo pubblicato su Nature Physics , ha portato all'osservazione di eccitazioni collettive interbanda nel materiale.

"Il grafene a doppio strato ritorto è interessante per gli esperimenti ottici, soprattutto a causa delle bande piatte combinate con la prima banda di energia eccitata che è anche relativamente piatta", ha detto a Phys.org Niels Hesp, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Come previsto in precedenti lavori teorici, ciò consente una forte transizione interbanda alle energie infrarosse, rendendola accessibile anche a temperatura ambiente. I nostri esperimenti miravano a studiare le eccitazioni collettive che si formano da queste transizioni ottiche".

La microscopia ottica in campo vicino è una tecnica avanzata che può essere utilizzata per esaminare le proprietà ottiche sulla superficie di un materiale a una risoluzione di ~20 nm, che è molto al di sotto del limite di diffrazione, il punto in cui i sistemi ottici iniziano a visualizzare male gli oggetti (ad es. , le immagini diventano sfocate). Con questa tecnica, la luce viene accoppiata in un campione tramite una punta molto affilata, che fornisce anche lo slancio necessario per lanciare plasmoni interbanda.

"Grazie a una lunga collaborazione con il gruppo di Pablo Jarrillo-Herrero al MIT, abbiamo avuto accesso anticipato ai loro campioni", ha detto Hesp. "In effetti, uno dei campioni che hanno fabbricato per noi nel 2016 è stato il primo a mostrare lo stato isolante di Mott. La prima osservazione di plasmoni interbanda nel grafene a doppio strato contorto è stata una sorpresa durante l'esecuzione delle misurazioni, poiché non eravamo davvero sicuri di cosa aspettarsi."

Le misurazioni ottiche raccolte da Hesp e dai suoi colleghi hanno svelato una modalità plasmonica di propagazione nel grafene a doppio strato contorto a carica neutra che è notevolmente diversa dal plasmone intrabanda osservato nel grafene a strato singolo. Nel loro articolo, il team suggerisce che questo potrebbe essere un plasmone interbanda associato alle transizioni ottiche tra minibande originate dalla struttura del superreticolo moiré del materiale.

"Il nostro lavoro mostra che il grafene a doppio strato contorto è ugualmente interessante per gli studi ottici, soprattutto perché è il primo sistema in cui sono stati osservati plasmoni interbanda propaganti con un fattore di qualità ragionevole", ha affermato Hesp. "Questa eccitazione si verifica anche in uno stato non drogato, il che significa che non è richiesta alcuna tensione esterna. Sebbene le applicazioni nel mondo reale siano molto più avanti, costituisce un altro elemento costitutivo del" kit di strumenti plasmonici ", lavorando verso circuiti ottici integrati su scala nanometrica. "

Le osservazioni forniscono nuove preziose informazioni sulle proprietà distintive del promettente materiale superconduttore grafene a doppio strato attorcigliato. In futuro, il loro lavoro potrebbe quindi contribuire allo sviluppo di vari nuovi dispositivi ottici e circuiti integrati.

"Poiché le strutture di grafene contorte formano una classe di materiali che ospita molti fenomeni affascinanti, in pratica abbiamo appena iniziato il viaggio", afferma il prof. Koppens, il leader dello studio. "Ora miriamo ad accedere agli stati correlati a temperature criogeniche con l'ottica. A tal fine, abbiamo installato un nuovo tipo di microscopio a campo vicino che può operare fino a 5K, in cui studiamo l'interazione della luce con gli elettroni fortemente interagenti. Questa tecnica risulta essere molto sensibile alle proprietà elettroniche del TBG e potrebbe potenzialmente indicare i meccanismi fisici dei fenomeni superconduttori e magnetici". + Esplora ulteriormente

I ricercatori osservano la rottura della simmetria di traslazione nel grafene a doppio strato contorto

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