I ricercatori del National Graphene Institute (NGI) dell'Università di Manchester hanno rivisitato uno dei materiali più antichi sulla Terra, la grafite, e scoperto una nuova fisica che sfuggiva al campo da decenni.
Nonostante sia costituita interamente da strati di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, la grafite naturale non è così semplice come si potrebbe pensare. Il modo in cui questi strati atomici si impilano uno sopra l'altro può risultare in diversi tipi di grafite, caratterizzati da un diverso ordine di impilamento di piani atomici consecutivi.
La maggior parte della grafite che appare in natura ha una struttura esagonale, che la rende uno dei materiali più "ordinari" sulla Terra. La struttura del cristallo di grafite è un modello ripetitivo. Questo schema viene interrotto sulla superficie del cristallo e porta a quelli che vengono chiamati "stati superficiali", che sono come onde che svaniscono lentamente man mano che si scende più in profondità nel cristallo. Ma come si possano sintonizzare gli stati superficiali nella grafite non è stato ancora ben compreso.
La tecnologia Van der Waals e la twistronics (l'impilamento di due cristalli 2D con un angolo di torsione per ottimizzare in larga misura le proprietà della struttura risultante, a causa del motivo moiré formato sulla loro interfaccia) sono i due campi principali nella ricerca sui materiali 2D. Ora, il team di ricercatori NGI, guidato dal Prof. Artem Mishchenko, utilizza il motivo moiré per sintonizzare gli stati superficiali della grafite, che ricorda un caleidoscopio con immagini in continuo cambiamento mentre si ruota l'obiettivo, rivelando la straordinaria nuova fisica dietro la grafite.
In particolare, il Prof. Mishchenko ha esteso la tecnica twistronics alla grafite tridimensionale e ha scoperto che il potenziale moiré non modifica solo gli stati superficiali della grafite, ma influenza anche lo spettro elettronico dell'intera massa del cristallo di grafite. Proprio come nella famosa storia de La principessa sul pisello, la principessa sentì il pisello attraverso i venti materassi e i venti piumini. Nel caso della grafite, il potenziale moiré su un'interfaccia allineata potrebbe penetrare attraverso più di 40 strati di grafite atomica.
Questa la ricerca, pubblicata sull'ultimo numero di Nature , hanno studiato gli effetti dei motivi moiré nella grafite esagonale sfusa generata dall'allineamento cristallografico con nitruro di boro esagonale. Il risultato più affascinante è l'osservazione di una miscelazione bidimensionale degli stati di superficie e di massa nella grafite, che si manifesta in un nuovo tipo di effetto Hall quantistico frattale:una farfalla di Hofstadter 2,5D.
Il Prof. Artem Mishchenko dell'Università di Manchester, che ha già scoperto l'effetto Hall quantistico a 2,5 dimensioni nella grafite, ha dichiarato:"La grafite ha dato origine al celebre grafene, ma le persone normalmente non sono interessate a questo 'vecchio' materiale. E ora, anche con la nostra conoscenza accumulata sulla grafite di diversi ordini di impilamento e allineamento negli ultimi anni, troviamo ancora che la grafite sia un sistema molto interessante, con così tanto ancora da esplorare."
Ciaran Mullan, uno dei principali autori dell'articolo, ha aggiunto:"Il nostro lavoro apre nuove possibilità per il controllo delle proprietà elettroniche mediante twistronics non solo nei materiali 2D ma anche in quelli 3D."
Il Prof. Vladimir Fal'ko, direttore del National Graphene Institute e fisico teorico presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia, ha aggiunto:"L'insolito effetto Hall quantistico 2.5D nella grafite nasce dall'interazione tra due fenomeni da manuale di fisica quantistica:la quantizzazione di Landau in forti campi magnetici e confinamento quantistico, che portano a un altro nuovo tipo di effetto quantistico."
Lo stesso team sta ora portando avanti la ricerca sulla grafite per ottenere una migliore comprensione di questo materiale sorprendentemente interessante.
Ulteriori informazioni: Ciaran Mullan et al, Miscelazione di stati moiré superficiali e sfusi nella grafite, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06264-5
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Manchester
