La normale mina per matita possiede proprietà straordinarie quando viene ridotta in strati sottili come un atomo. Un singolo foglio di grafite, sottile come un atomo, noto come grafene, è solo una piccola frazione della larghezza di un capello umano. Al microscopio, il materiale assomiglia ad una rete di atomi di carbonio collegati in un reticolo esagonale.
Nonostante le sue proporzioni da orfano, gli scienziati hanno scoperto nel corso degli anni che il grafene è eccezionalmente forte. E quando il materiale viene impilato e attorcigliato in contorsioni specifiche, può assumere comportamenti elettronici sorprendenti.
Ora, i fisici del MIT hanno scoperto un’altra proprietà sorprendente del grafene:quando impilato in cinque strati, in uno schema romboedrico, il grafene assume uno stato molto raro, “multiferroico”, in cui il materiale mostra sia un magnetismo non convenzionale che un tipo esotico di comportamento elettronico. , che il team ha chiamato ferro-valletricità.
"Il grafene è un materiale affascinante", afferma il leader del team Long Ju, assistente professore di fisica al MIT. "Ogni strato che aggiungi ti dà essenzialmente un nuovo materiale. E ora questa è la prima volta che vediamo ferro-valletricità e magnetismo non convenzionale in cinque strati di grafene. Ma non vediamo questa proprietà in uno, due, tre, o quattro strati."
La scoperta potrebbe aiutare gli ingegneri a progettare dispositivi di archiviazione dati a bassissimo consumo e ad alta capacità per computer classici e quantistici.
"Avere proprietà multiferroiche in un unico materiale significa che, se si potesse risparmiare energia e tempo per scrivere un disco rigido magnetico, si potrebbe anche memorizzare il doppio della quantità di informazioni rispetto ai dispositivi convenzionali", afferma Ju.
Il suo team riporta la scoperta in un articolo su Nature . I coautori del MIT includono l'autore principale Tonghang Han, oltre a Zhengguang Lu, Tianyi Han e Liang Fu; insieme ai collaboratori dell'Università di Harvard Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang e Hongkun Park; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.
Un materiale ferroico è un materiale che mostra un comportamento coordinato nelle sue proprietà elettriche, magnetiche o strutturali. Un magnete è un esempio comune di materiale ferroico:i suoi elettroni possono coordinarsi per ruotare nella stessa direzione senza un campo magnetico esterno. Di conseguenza, il magnete punta spontaneamente verso una direzione preferita nello spazio.
Altri materiali possono essere ferroici con mezzi diversi. Ma solo una manciata è risultata essere multiferroica, uno stato raro in cui più proprietà possono coordinarsi per mostrare più stati preferiti. Nei multiferroici convenzionali, sarebbe come se, oltre al magnete che punta verso una direzione, anche la carica elettrica si spostasse in una direzione indipendente dalla direzione magnetica.
I materiali multiferroici sono di interesse per l'elettronica perché potrebbero potenzialmente aumentare la velocità e ridurre il costo energetico dei dischi rigidi. I dischi rigidi magnetici memorizzano i dati sotto forma di domini magnetici, essenzialmente magneti microscopici che vengono letti come 1 o 0, a seconda del loro orientamento magnetico.
I magneti vengono commutati da una corrente elettrica, che consuma molta energia e non può funzionare rapidamente. Se un dispositivo di memorizzazione potesse essere realizzato con materiali multiferroici, i domini potrebbero essere commutati da un campo elettrico più veloce e di potenza molto inferiore. Ju e i suoi colleghi erano curiosi di sapere se il comportamento multiferroico sarebbe emerso nel grafene.
La struttura estremamente sottile del materiale costituisce un ambiente unico in cui i ricercatori hanno scoperto interazioni quantistiche altrimenti nascoste. In particolare, Ju si chiedeva se il grafene avrebbe mostrato un comportamento multiferroico e coordinato tra i suoi elettroni se disposto in determinate condizioni e configurazioni.
"Cerchiamo ambienti in cui gli elettroni vengono rallentati, dove le loro interazioni con il reticolo di atomi circostante sono piccole, in modo che le loro interazioni con altri elettroni possano emergere", spiega Ju. "È allora che abbiamo qualche possibilità di osservare interessanti comportamenti collettivi degli elettroni."
Il team ha effettuato alcuni semplici calcoli e ha scoperto che un comportamento coordinato tra gli elettroni dovrebbe emergere in una struttura di cinque strati di grafene impilati insieme in uno schema romboedrico. (Pensa a cinque recinzioni di rete metallica, impilate e leggermente spostate in modo tale che, viste dall'alto, la struttura assomigli a un motivo a rombi.)
"In cinque strati, gli elettroni si trovano in un ambiente reticolare dove si muovono molto lentamente, quindi possono interagire con altri elettroni in modo efficace", afferma Ju. "È allora che gli effetti di correlazione elettronica iniziano a dominare e possono iniziare a coordinarsi in determinati ordini ferroici preferiti."
I ricercatori sono poi andati in laboratorio per vedere se potevano effettivamente osservare il comportamento multiferroico nel grafene a cinque strati. Nei loro esperimenti, hanno iniziato con un piccolo blocco di grafite, dal quale hanno accuratamente esfoliato le singole scaglie. Hanno utilizzato tecniche ottiche per esaminare ogni scaglia, cercando specificamente scaglie a cinque strati, disposte naturalmente secondo uno schema romboedrico.
"In una certa misura, la natura fa la magia", ha detto l'autore principale e studente laureato Han. "E possiamo osservare tutti questi fiocchi e capire quale ha cinque strati, in questo impilamento romboedrico, che è ciò che dovrebbe darti questo effetto di rallentamento degli elettroni."
Il team ha isolato diversi fiocchi a cinque strati e li ha studiati a temperature appena sopra lo zero assoluto. In condizioni così ultrafredde, tutti gli altri effetti, come i disturbi indotti termicamente all’interno del grafene, dovrebbero essere smorzati, consentendo alle interazioni tra gli elettroni di emergere. I ricercatori hanno misurato la risposta degli elettroni a un campo elettrico e a un campo magnetico e hanno scoperto che in effetti emergono due ordini ferroici, o insiemi di comportamenti coordinati.
La prima proprietà ferroica era un magnetismo non convenzionale:gli elettroni coordinavano il loro movimento orbitale, come i pianeti che ruotano nella stessa direzione. (Nei magneti convenzionali, gli elettroni coordinano la loro "spin", ruotando nella stessa direzione, rimanendo relativamente fissi nello spazio.)
La seconda proprietà ferroica aveva a che fare con la “valle” elettronica del grafene. In ogni materiale conduttivo, ci sono determinati livelli energetici che gli elettroni possono occupare. Una valle rappresenta lo stato energetico più basso in cui un elettrone può stabilizzarsi naturalmente. A quanto pare, ci sono due possibili valli nel grafene. Normalmente gli elettroni non hanno preferenze per nessuna delle due valli e si depositano equamente in entrambe.
Ma nel grafene a cinque strati, il team ha scoperto che gli elettroni cominciavano a coordinarsi e preferivano sistemarsi in una valle piuttosto che nell’altra. Questo secondo comportamento coordinato indicava una proprietà ferroica che, combinata con il magnetismo non convenzionale degli elettroni, conferiva alla struttura un raro stato multiferroico.
"Sapevamo che sarebbe successo qualcosa di interessante in questa struttura, ma non sapevamo esattamente cosa, finché non l'abbiamo testata", dice il co-primo autore Lu, un postdoc nel gruppo di Ju. "È la prima volta che vediamo una ferro-valleytronica, e anche la prima volta che vediamo una coesistenza di ferro-valleytronica con un ferromagnete non convenzionale."
Il team ha dimostrato di poter controllare entrambe le proprietà ferrose utilizzando un campo elettrico. Immaginano che, se gli ingegneri potessero incorporare grafene a cinque strati o materiali multiferroici simili in un chip di memoria, potrebbero, in linea di principio, utilizzare lo stesso campo elettrico a bassa potenza per manipolare gli elettroni del materiale in due modi anziché in uno, ed effettivamente raddoppiare i dati che potrebbero essere memorizzati su un chip rispetto ai multiferroici convenzionali.
Anche se questa visione è lontana dalla realizzazione pratica, i risultati del team aprono nuovi orizzonti nella ricerca di dispositivi elettronici, magnetici e Valleytronic migliori e più efficienti.
Ulteriori informazioni: Long Ju, Multiferroicità orbitale nel grafene romboedrico pentastrato, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06572-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
