Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Università di Göttingen ha dimostrato sperimentalmente che gli elettroni nel grafene a doppio strato presente in natura si muovono come particelle prive di massa, nello stesso modo in cui viaggia la luce. Inoltre, hanno dimostrato che la corrente può essere "accesa" e spenta, il che ha il potenziale per sviluppare minuscoli transistor ad alta efficienza energetica, come l'interruttore della luce di casa, ma su scala nanometrica.
Nella ricerca sono stati coinvolti anche il Massachusetts Institute of Technology (MIT), negli Stati Uniti, e il National Institute for Materials Science (NIMS), in Giappone. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
Il grafene è stato identificato nel 2004 ed è un singolo strato di atomi di carbonio. Tra le sue numerose proprietà insolite, il grafene è noto per la sua conduttività elettrica straordinariamente elevata dovuta alla velocità elevata e costante degli elettroni che viaggiano attraverso questo materiale. Questa caratteristica unica ha fatto sognare gli scienziati di utilizzare il grafene per transistor molto più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.
La sfida è stata che per realizzare un transistor, il materiale deve essere controllato per avere uno stato altamente isolante oltre al suo stato altamente conduttivo. Nel grafene, tuttavia, un tale “cambio” nella velocità del vettore non può essere ottenuto facilmente. Infatti, il grafene di solito non ha uno stato isolante, il che limita il potenziale del grafene come transistor.
Il team dell’Università di Göttingen ha ora scoperto che due strati di grafene, come si trova nella forma naturale del grafene a doppio strato, combinano il meglio di entrambi i mondi:una struttura che supporta il movimento sorprendentemente veloce degli elettroni che si muovono come la luce come se non avessero massa, oltre ad uno stato isolante. I ricercatori hanno dimostrato che questa condizione può essere modificata mediante l'applicazione di un campo elettrico applicato perpendicolarmente al materiale, rendendo isolante il doppio strato di grafene.
Questa proprietà degli elettroni in rapido movimento era stata teoricamente prevista già nel 2009, ma è stata necessaria una qualità del campione significativamente migliorata, grazie ai materiali forniti dal NIMS, e una stretta collaborazione teorica con il MIT, prima che fosse possibile identificarla sperimentalmente. Sebbene questi esperimenti siano stati condotti a temperature criogeniche, a circa 273° sotto lo zero, mostrano il potenziale del grafene a doppio strato per realizzare transistor altamente efficienti.
"Eravamo già a conoscenza della teoria. Tuttavia, ora abbiamo condotto esperimenti che mostrano effettivamente la dispersione degli elettroni nel doppio strato di grafene, simile alla luce. È stato un momento molto emozionante per l'intero team", afferma il professor Thomas Weitz, a Göttingen. Facoltà di Fisica dell'Università.
La dottoressa Anna Seiler, ricercatrice post-dottorato e prima autrice anche presso l'Università di Göttingen, aggiunge:"Il nostro lavoro è in gran parte un primo passo ma cruciale. Il prossimo passo per i ricercatori sarà vedere se il grafene a doppio strato può davvero migliorare i transistor o studiare il potenziale di questo effetto in altri settori della tecnologia."
Ulteriori informazioni: Anna M. Seiler et al, Sondaggio della struttura a bande multi-cono sintonizzabili nel grafene a doppio strato Bernal, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47342-0
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Göttingen
