Fisici e colleghi del MIT hanno metaforicamente trasformato la grafite, o mina di matita, in oro isolando cinque scaglie ultrasottili impilate in un ordine specifico. Il materiale risultante può quindi essere ottimizzato per mostrare tre importanti proprietà mai viste prima nella grafite naturale.
"È una specie di sportello unico", afferma Long Ju, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica del MIT e responsabile del lavoro, riportato in Nature Nanotechnology . "In questo caso, non ci siamo mai resi conto che tutte queste cose interessanti sono racchiuse nella grafite."
Inoltre, dice, "è molto raro trovare materiali che possano ospitare così tante proprietà."
La grafite è composta da grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape. Il grafene, a sua volta, è stato al centro di intense ricerche da quando è stato isolato per la prima volta circa 20 anni fa. Poi, circa cinque anni fa, i ricercatori, incluso un team del MIT, hanno scoperto che impilare singoli fogli di grafene e ruotarli leggermente l’uno rispetto all’altro può conferire nuove proprietà al materiale, dalla superconduttività al magnetismo. È nato il campo della "twistronics".
Nel lavoro attuale, "abbiamo scoperto proprietà interessanti senza alcuna torsione", afferma Ju, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory.
Lui e i suoi colleghi hanno scoperto che cinque strati di grafene disposti in un certo ordine consentono agli elettroni che si muovono all’interno del materiale di parlare tra loro. Questo fenomeno, noto come correlazione elettronica, "è la magia che rende possibili tutte queste nuove proprietà", afferma Ju.
La grafite sfusa, e anche i singoli fogli di grafene, sono buoni conduttori elettrici, ma questo è tutto. Il materiale isolato da Ju e colleghi, che chiamano grafene impilato romboedrico pentastrato, diventa molto più della somma delle sue parti.
Microscopio innovativo
La chiave per isolare il materiale è stata un nuovo microscopio Ju costruito al MIT nel 2021 che può determinare in modo rapido e relativamente economico una varietà di caratteristiche importanti di un materiale su scala nanometrica. Il grafene impilato romboedrico pentastrato ha uno spessore di solo pochi miliardesimi di metro.
Gli scienziati, incluso Ju, erano alla ricerca di grafene multistrato che fosse impilato in un ordine molto preciso, noto come impilamento romboedrico. Dice Ju, "ci sono più di 10 possibili ordini di impilamento quando si passa a cinque strati. Il romboedrico è solo uno di questi". Il microscopio costruito da Ju, noto come microscopia ottica a scansione di campo vicino a scattering o s-SNOM, ha permesso agli scienziati di identificare e isolare solo i pentastrati nell'ordine di impilamento romboedrico a cui erano interessati.
Da lì, il team ha collegato gli elettrodi a un minuscolo sandwich composto da “pane” di nitruro di boro che protegge la delicata “carne” del grafene impilato romboedrico pentastrato. Gli elettrodi hanno permesso loro di sintonizzare il sistema con diverse tensioni o quantità di elettricità. Il risultato:hanno scoperto l'emergere di tre diversi fenomeni a seconda del numero di elettroni che inondano il sistema.
"Abbiamo scoperto che il materiale potrebbe essere isolante, magnetico o topologico", afferma Ju. Quest'ultimo è in qualche modo correlato sia ai conduttori che agli isolanti. In sostanza, spiega Ju, un materiale topologico consente il movimento senza ostacoli degli elettroni attorno ai bordi di un materiale, ma non attraverso il centro. Gli elettroni viaggiano in una direzione lungo una "autostrada" ai margini del materiale, separati da una mediana che costituisce il centro del materiale. Quindi il bordo di un materiale topologico è un conduttore perfetto, mentre il centro è un isolante.
"Il nostro lavoro stabilisce che il grafene multistrato impilato romboedrico è una piattaforma altamente sintonizzabile per studiare queste nuove possibilità di fisica topologica e fortemente correlata", concludono Ju e i suoi coautori.
Oltre a Ju, gli autori dell'articolo sono Tonghang Han e Zhengguan Lu. Han è uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica; Lu è un associato post-dottorato presso il Laboratorio di ricerca sui materiali. I due sono co-primi autori dell'articolo.
Ulteriori informazioni: Tonghang Han et al, Isolante correlato e isolanti Chern nel grafene impilato romboedrico pentastrato, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01520-1
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito da Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
