Mentre le collisioni con le impurità del reticolo avvengono frequentemente, le collisioni tra gli elettroni sono molto più rare. La situazione cambia, però, quando al posto di un comune filo di ferro o di rame viene utilizzato il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape.

Nel grafene, le collisioni tra impurità sono rare e le collisioni tra gli elettroni svolgono il ruolo principale. In questo caso, gli elettroni si comportano più come un liquido viscoso. Pertanto, nello strato di grafene dovrebbero verificarsi fenomeni di flusso ben noti come i vortici.

Reportage sulla rivista Science , i ricercatori dell'ETH di Zurigo del gruppo di Christian Degen sono ora riusciti per la prima volta a rilevare direttamente i vortici di elettroni nel grafene, utilizzando un sensore di campo magnetico ad alta risoluzione.

Microscopio con rilevamento quantistico altamente sensibile

I vortici si formavano in piccoli dischi circolari che Degen e i suoi collaboratori avevano attaccato durante il processo di fabbricazione a una striscia conduttrice di grafene larga solo un micrometro. I dischi avevano diametri diversi compresi tra 1,2 e 3 micrometri. Calcoli teorici suggerivano che i vortici elettronici dovrebbero formarsi nei dischi più piccoli, ma non in quelli più grandi.

Per rendere visibili i vortici i ricercatori hanno misurato i minuscoli campi magnetici prodotti dagli elettroni che fluiscono all’interno del grafene. A questo scopo, hanno utilizzato un sensore di campo magnetico quantistico costituito da un cosiddetto centro di azoto vacante (NV) incorporato nella punta di un ago di diamante.

Essendo un difetto atomico, il centro NV si comporta come un oggetto quantistico i cui livelli energetici dipendono da un campo magnetico esterno. Utilizzando raggi laser e impulsi a microonde, gli stati quantistici del centro possono essere preparati in modo tale da essere massimamente sensibili ai campi magnetici. Leggendo gli stati quantistici con un laser, i ricercatori hanno potuto determinare l'intensità di tali campi in modo molto preciso.

"Grazie alle minuscole dimensioni dell'ago di diamante e alla piccola distanza dallo strato di grafene, solo circa 70 nanometri, siamo stati in grado di rendere visibili le correnti di elettroni con una risoluzione inferiore a un centinaio di nanometri", afferma Marius Palm, un ex Dottorato di ricerca studente del gruppo di Degen. Questa risoluzione è sufficiente per vedere i vortici.

Direzione del flusso invertita

Nelle loro misurazioni, i ricercatori hanno osservato un segno caratteristico dei vortici attesi nei dischi più piccoli:un'inversione della direzione del flusso. Mentre nel trasporto elettronico normale (diffusivo) gli elettroni nella striscia e nel disco fluiscono nella stessa direzione, nel caso di un vortice la direzione del flusso all'interno del disco è invertita. Come previsto dai calcoli, nei dischi più grandi non è stato possibile osservare vortici.

"Grazie al nostro sensore estremamente sensibile e all'elevata risoluzione spaziale, non abbiamo nemmeno avuto bisogno di raffreddare il grafene e abbiamo potuto condurre gli esperimenti a temperatura ambiente", afferma Palm. Inoltre, lui e i suoi colleghi non solo hanno rilevato vortici di elettroni, ma anche vortici formati da portatori di lacune.

Applicando una tensione elettrica da sotto il grafene, hanno modificato il numero di elettroni liberi in modo tale che il flusso di corrente non fosse più trasportato da elettroni, ma piuttosto da elettroni mancanti, chiamati anche buchi. Solo nel punto di neutralità della carica, dove c'è una concentrazione piccola ed equilibrata sia di elettroni che di lacune, i vortici sono scomparsi completamente.

"In questo momento, la rilevazione dei vortici elettronici è una ricerca di base e ci sono ancora molte domande aperte", afferma Palm. Ad esempio, i ricercatori devono ancora capire in che modo le collisioni degli elettroni con i bordi del grafene influenzano il modello di flusso e quali effetti si verificano in strutture ancora più piccole.

Il nuovo metodo di rilevamento utilizzato dai ricercatori dell'ETH permette anche di dare un'occhiata più da vicino a molti altri effetti esotici del trasporto di elettroni nelle strutture mesoscopiche, fenomeni che si verificano su scale di lunghezza da diverse decine di nanometri fino a pochi micrometri.