Ricerca pubblicata in ACS Nano rivela il movimento balistico degli elettroni nel grafene in tempo reale.

Le osservazioni effettuate presso l'Ultrafast Laser Lab dell'Università del Kansas potrebbero portare a scoperte rivoluzionarie nel governo degli elettroni nei semiconduttori, componenti fondamentali nella maggior parte delle tecnologie energetiche e dell'informazione.

"Generalmente, il movimento degli elettroni viene interrotto dalle collisioni con altre particelle nei solidi", ha affermato l'autore principale Ryan Scott, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della KU.

"È simile a qualcuno che corre in una sala da ballo piena di ballerini. Queste collisioni sono piuttosto frequenti, circa 10-100 miliardi di volte al secondo. Rallentano gli elettroni, causano perdita di energia e generano calore indesiderato. Senza collisioni, un elettrone si muoversi ininterrottamente all'interno di un solido, simile alle automobili su un'autostrada o ai missili balistici in aria. Lo chiamiamo "trasporto balistico".

Scott ha eseguito gli esperimenti di laboratorio sotto la guida di Hui Zhao, professore di fisica e astronomia alla KU. A loro si è unito nel lavoro l'ex studente di dottorato della KU Pavel Valencia-Acuna, ora ricercatore post-dottorato presso il Northwest Pacific National Laboratory.

Zhao ha affermato che i dispositivi elettronici che utilizzano il trasporto balistico potrebbero essere potenzialmente più veloci, più potenti e più efficienti dal punto di vista energetico.

"Gli attuali dispositivi elettronici, come computer e telefoni, utilizzano transistor ad effetto di campo a base di silicio", ha detto Zhao. "In tali dispositivi, gli elettroni possono spostarsi solo con una velocità dell'ordine di centimetri al secondo a causa delle frequenti collisioni che incontrano. Il trasporto balistico degli elettroni nel grafene può essere utilizzato in dispositivi con velocità elevata e basso consumo energetico."

I ricercatori della KU hanno osservato il movimento balistico nel grafene, un materiale promettente per i dispositivi elettronici di prossima generazione. Scoperto per la prima volta nel 2004 e insignito del Premio Nobel per la fisica nel 2010, il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio che formano una struttura reticolare esagonale, un po' simile a una rete da calcio.

"Gli elettroni nel grafene si muovono come se la loro massa 'effettiva' fosse zero, il che li rende più propensi a evitare collisioni e a muoversi balisticamente", ha detto Scott. "Precedenti esperimenti elettrici, studiando le correnti elettriche prodotte da tensioni in varie condizioni, hanno rivelato segni di trasporto balistico. Tuttavia, queste tecniche non sono abbastanza veloci per tracciare gli elettroni mentre si muovono."

Secondo i ricercatori, gli elettroni nel grafene (o qualsiasi altro semiconduttore) sono come gli studenti seduti in un'aula piena, dove gli studenti non possono muoversi liberamente perché i banchi sono pieni. La luce laser può liberare elettroni e liberare temporaneamente una scrivania, o "buco", come li chiamano i fisici.

"La luce può fornire energia a un elettrone per liberarlo in modo che possa muoversi liberamente", ha detto Zhao. "Ciò è simile a consentire a uno studente di alzarsi e allontanarsi dal suo posto. Tuttavia, a differenza di uno studente con carica neutra, un elettrone è caricato negativamente. Una volta che l'elettrone ha lasciato la sua "sede", il sedile diventa carico positivamente e rapidamente trascina indietro l'elettrone, con il risultato che non ci sono più elettroni mobili, come lo studente seduto."

A causa di questo effetto, gli elettroni superleggeri nel grafene possono rimanere mobili solo per circa un trilionesimo di secondo prima di ricadere nella loro sede. Questo breve lasso di tempo rappresenta una grave sfida per l’osservazione del movimento degli elettroni. Per risolvere questo problema, i ricercatori della KU hanno progettato e fabbricato una struttura artificiale a quattro strati con due strati di grafene separati da altri due materiali a strato singolo, bisolfuro di molibdeno e diseleniuro di molibdeno.

"Con questa strategia, siamo stati in grado di guidare gli elettroni verso uno strato di grafene mantenendo le loro" sedi "nell'altro strato di grafene", ha affermato Scott. "Separandoli con due strati di molecole, con uno spessore totale di appena 1,5 nanometri, costringe gli elettroni a rimanere mobili per circa 50 trilionesimi di secondo, un tempo sufficiente per i ricercatori, dotati di laser veloci quanto 0,1 trilionesimi di secondo , per studiare come si muovono."

I ricercatori utilizzano un punto laser ben focalizzato per liberare alcuni elettroni nel loro campione. Tracciano questi elettroni mappando la "riflettanza" del campione o la percentuale di luce che riflettono.

"Vediamo la maggior parte degli oggetti perché riflettono la luce ai nostri occhi", ha detto Scott.

"Gli oggetti più luminosi hanno una riflettanza maggiore. D'altra parte, gli oggetti scuri assorbono la luce, motivo per cui i vestiti scuri diventano caldi in estate. Quando un elettrone mobile si sposta in una certa posizione del campione, rende quella posizione leggermente più luminosa modificando il modo in cui gli elettroni in quella posizione interagiscono con la luce. L'effetto è molto piccolo:anche se tutto è ottimizzato, un elettrone cambia la riflettanza solo di 0,1 parti per milione."

Per rilevare un cambiamento così piccolo, i ricercatori hanno liberato 20.000 elettroni contemporaneamente, utilizzando una sonda laser per riflettere il campione e misurare questa riflettanza, ripetendo il processo 80 milioni di volte per ciascun punto dati. Hanno scoperto che gli elettroni, in media, si muovono balisticamente per circa 20 trilionesimi di secondo con una velocità di 22 chilometri al secondo prima di imbattersi in qualcosa che interrompe il loro movimento balistico.

Ulteriori informazioni: Ryan J. Scott et al, Osservazione spaziotemporale del trasporto quasi balistico di elettroni nel grafene, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816

Informazioni sul giornale: ACS Nano

Fornito dall'Università del Kansas