Niente al mondo è perfetto. Ciò vale anche per la ricerca sui materiali. Nelle simulazioni al computer, spesso si rappresenta un sistema in modo altamente idealizzato; si calcolano ad esempio le proprietà che avrebbe un cristallo assolutamente perfetto. In pratica, però, abbiamo sempre a che fare con effetti aggiuntivi:con difetti nel reticolo cristallino, con particelle aggiuntive che si attaccano al materiale, con complicate interazioni tra le particelle. La domanda cruciale è quindi:questi inevitabili effetti aggiuntivi modificano o no le proprietà del materiale?
Ciò è particolarmente interessante nel caso del materiale bidimensionale grafene, che consiste di un solo strato di atomi di carbonio. È noto da tempo che il grafene ha eccellenti proprietà elettroniche. Tuttavia, fino ad ora non era chiaro quanto fossero stabili queste proprietà. Vengono distrutti da disturbi ed effetti aggiuntivi, che nella pratica sono inevitabili, o rimangono intatti?
I ricercatori della TU Wien (Vienna) sono ora riusciti a sviluppare un modello computerizzato completo di strutture realistiche di grafene. Si è scoperto che gli effetti desiderati sono molto stabili. Anche i pezzi di grafene non del tutto perfetti possono essere utilizzati bene per applicazioni tecnologiche. Questa è una buona notizia per la comunità globale del grafene. La ricerca è pubblicata sulla rivista Carbon .
"Calcoliamo su scala atomica come si propaga la corrente elettrica in un minuscolo pezzo di grafene", afferma il prof. Florian Libisch dell'Istituto di fisica teorica della TU Wien. "Esistono diversi modi in cui un elettrone può muoversi attraverso il materiale. Secondo le regole della fisica quantistica, non è necessario che scelga uno di questi percorsi; l'elettrone può seguire più percorsi contemporaneamente."
Questi diversi percorsi possono poi sovrapporsi in modi diversi. A valori energetici molto specifici, i percorsi si annullano a vicenda; a questa energia, la probabilità che gli elettroni passino attraverso il pezzo di grafene è molto bassa e la corrente elettrica è minima. Questa si chiama "interferenza distruttiva".
"Il fatto che il flusso di corrente diminuisca drasticamente a valori energetici molto specifici per ragioni di fisica quantistica è un effetto altamente desiderabile dal punto di vista tecnologico", spiega Libisch. "Questo può essere utilizzato, ad esempio, per elaborare informazioni su una scala di dimensioni ridotte, in modo simile a ciò che fanno i componenti elettronici nei chip dei computer."
Si può anche usarlo per sviluppare nuovi sensori quantistici. Supponiamo che un pezzo di grafene non conduca praticamente alcuna corrente. Poi, all'improvviso, una molecola dall'esterno si attacca alla superficie del grafene. "Questa molecola modifica leggermente le proprietà elettroniche del pezzo di grafene, e questo può già essere sufficiente per aumentare improvvisamente il flusso di corrente in modo abbastanza drastico", afferma il dottor Robert Stadler. "Questo potrebbe essere usato per realizzare sensori estremamente sensibili."
Ma gli effetti fisici che giocano un ruolo nei dettagli sono molto complicati. "La dimensione e la forma del pezzo di grafene non sono sempre le stesse, e ci sono interazioni a molti corpi tra diversi elettroni che sono molto difficili da calcolare matematicamente. Potrebbero esserci atomi extra indesiderati in alcuni punti, e gli atomi oscillano sempre un po' —tutto questo deve essere preso in considerazione per poter descrivere il materiale grafene in modo veramente realistico", afferma il Dott. Angelo Valli.
Questo è esattamente ciò che è stato realizzato alla TU Wien:Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian e Florian Libisch hanno anni di esperienza nel descrivere correttamente i diversi effetti dei materiali nei modelli computerizzati. Unendo le loro competenze, ora sono riusciti a sviluppare un modello computerizzato completo che include tutte le fonti di errore rilevanti e gli effetti di perturbazione presenti nei grafici.
E così facendo hanno potuto dimostrare che anche in presenza di queste fonti di errore gli effetti desiderati sono ancora visibili. È ancora possibile trovare una certa energia alla quale la corrente scorre solo in misura molto piccola a causa degli effetti quantistici. Gli esperimenti avevano già dimostrato che ciò è plausibile, ma finora mancava un'indagine teorica sistematica.
Ciò dimostra che il grafene non deve essere perfetto per essere utilizzato nella tecnologia dell’informazione quantistica o nel rilevamento quantistico. Per la ricerca applicata in questo campo, questo è un messaggio importante:gli sforzi a livello mondiale per utilizzare gli effetti quantistici del grafene in modo controllato sono davvero promettenti.
Ulteriori informazioni: Angelo Valli et al, Stabilità delle antirisonanze distruttive dell'interferenza quantistica nel trasporto di elettroni attraverso nanostrutture di grafene, Carbonio (2023). DOI:10.1016/j.carbon.2023.118358
Informazioni sul giornale: Carbonio
Fornito dall'Università della Tecnologia di Vienna
