VORTICI DI ELETTRONI NEL GRAFENE

I ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno reso visibile, per la prima volta, i flussi di elettroni in un materiale a temperatura ambiente usando un microscopio con rilevamento quantistico.

Le collisioni tra elettroni giocano un ruolo fondamentale in diversi ambiti scientifici, contribuendo alla comprensione della natura della materia, alla produzione di energia, al trattamento medico e allo sviluppo di tecnologie avanzate.

Quando un conduttore elettrico ordinario, come un filo metallico, è collegato ad una batteria, gli elettroni nel conduttore sono accelerati dal campo elettrico. Durante il loro movimento, gli elettroni collidono frequentemente con atomi di impurità o vuoti nel reticolo cristallino e convertono parte della loro energia in vibrazioni del reticolo. L’energia persa viene trasformata in calore che può essere avvertito, ad esempio, toccando una lampadina incandescente.

Le collisioni tra elettroni sono molto più rare.

La situazione cambia quando s’impiega il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in una struttura esagonale a nido d’ape. Con questo materiale. le collisioni con le impurità sono rare e si distinguono quelle tra elettroni che si comportano come un liquido viscoso.

I ricercatori dell’ETH Zurigo, del gruppo di Christian Degen, sono riusciti a rilevare direttamente i vortici di elettroni nel grafene.

L’impresa è stata possibile misurando i minuscoli campi magnetici prodotti dagli elettroni che scorrono all’interno del grafene. Per far questo, è stato utilizzato un sensore di campo magnetico quantistico composto da un cosiddetto centro vuoto azoto-diamante (NV – Nitrogen-Vacancy) incorporato nell’estremità di un ago di diamante.

All’interno di questo minerale cristallizzato, alcune imperfezioni possono creare centri di azoto-vuoto costituiti da un atomo di azoto accanto ad un vuoto nella struttura del diamante.

Essendo un difetto atomico, il centro NV agisce come un oggetto quantistico le cui energie dipendono da un campo magnetico esterno. Usando fasci laser ed impulsi a microonde, gli stati quantistici del centro possono essere preparati per essere altamente sensibili ai campi magnetici la cui forza è determinata con grande precisione grazie alla luce laser.

Marius Palm, ex studente ora laureato e componente del team, ha spiegato come la ridotta distanza dallo strato di grafene, circa 70 nanometri, abbia permesso di rendere visibili le correnti di elettroni con una risoluzione di meno di cento nanometri. Il nanometro (nm) è pari ad un miliardesimo di metro, 10^–9 (o 1 milionesimo di millimetro) ed è l’unità di misura delle lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Per avere un senso delle proporzioni si pensi che lo spessore di un capello misura da un minimo di 0,06mm ad un massimo di 0,1 mm.

I vortici si sono formati in piccoli dischi circolari (con diametri tra 1,2 e 3 micrometri) che Degen e i suoi collaboratori avevano attaccato ad una striscia di grafene conduttivo, larga solo un micrometro. I calcoli teorici suggerivano che i vortici di elettroni si costituissero esclusivamente nei dischi più piccoli e non nei maggiori. Le analisi hanno confermato questa formulazione.

Gli scienziati hanno osservato un segno caratteristico dei vortici nei dischi minori: un’inversione della direzione del flusso.

Grazie alla sensibilità della tecnologia ed all’elevata risoluzione spaziale, non c’è stato bisogno di raffreddare il grafene, conducendo gli esperimenti a temperatura ambiente

Il team di ricerca ha rilevato anche vortici formati da portatori di lacune. Applicando una tensione elettrica, è stato modificato il numero di elettroni liberi in modo tale che il flusso di corrente non fosse più portato dagli elettroni, ma dalle lacune o “elettroni persi“. Solo al punto di neutralità della carica (charge neutrality point), dove c’è una piccola e bilanciata concentrazione sia di elettroni che di lacune, i vortici scompaiono completamente.

Rimangono da indagare diversi aspetti, fra cui capire come le collisioni degli elettroni con i bordi del grafene influenzino il modello di flusso e quali effetti si verifichino in strutture ancora più piccole.

Le proprietà uniche del grafene quali la straordinaria conduzione termica ed elettrica, l’elevata resistenza meccanica, la flessibilità e la trasparenza ottica, lo rendono estremamente interessante in una vasta gamma di campi, tra cui elettronica, nanotecnologie, materiali compositi, medicina ed energia. Tutti settori in cui le tecnologie quantistiche promettono applicazioni rivoluzionarie.

 

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Illustrazione: Chaoxin Ding per ETH