Le proprietà derivanti dal grafene romboedrico

I fisici hanno osservato l'effetto Hall in un materiale bidimensionale più agevole senza potenziale moiré: un grafene romboedrico a cinque strati

L'effetto Hall anomalo quantistico è stato osservato in diversi materiali, compresi quelli con una struttura moiré bidimensionale. Gli scienziati hanno esaminato questo effetto in un materiale bidimensionale più semplice senza potenziale moiré: un grafene romboedrico a cinque strati. Il grafene è stato posto sotto uno strato di disolfuro di tungsteno, che ha indotto l'accoppiamento spin-orbitale ed è stato incapsulato da nitruro di boro esagonale. La resistenza di Hall del campione è stata completamente quantizzata a un campo magnetico pari a zero ad un valore corrispondente a un numero Chern elevato pari a 5.

Il lavoro, riportato su Science (1), è una delle numerose importanti scoperte effettuate dallo stesso team nell'ultimo anno che coinvolgono un materiale che è una forma unica di grafene.

«Questa scoperta ha implicazioni dirette per i dispositivi elettronici a bassa potenza perché non viene persa energia durante la propagazione degli elettroni, cosa che non avviene nei materiali normali in cui gli elettroni sono dispersi», afferma il dottor Long Ju (2), assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e corrispondente autore dell'articolo su Science.

Il fenomeno è simile alle auto che viaggiano lungo un’autostrada aperta rispetto a quelle che si muovono attraverso i quartieri. Le auto del vicinato possono essere fermate o rallentate da altri conducenti che effettuano fermate brusche o inversioni a U che interrompono un tragitto altrimenti regolare.

Un nuovo materiale

Il materiale alla base di questo lavoro, noto come grafene pentastrato romboedrico, è stato scoperto due anni fa dai fisici guidati da Ju. «Abbiamo trovato una miniera d'oro e ogni scoop rivela qualcosa di nuovo», afferma Ju, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT.

In un articolo di Nature Nanotechnology lo scorso ottobre 2023, Ju e colleghi hanno riportato la scoperta (3) di tre importanti proprietà derivanti dal grafene romboedrico. Ad esempio, hanno dimostrato che potrebbe essere topologico, ovvero consentire il movimento senza ostacoli degli elettroni attorno al bordo del materiale ma non attraverso il centro. Ciò ha portato alla realizzazione di un’autostrada, ma ha richiesto l’applicazione di un grande campo magnetico alcune decine di migliaia di volte più forte del campo magnetico terrestre.

Nel lavoro attuale, il team riferisce di aver creato l’autostrada senza alcun campo magnetico.

Il dottor Tonghang Han, uno studente laureato in fisica del MIT, è uno dei primi autori dell'articolo, asserisce: «Non siamo i primi a scoprire questo fenomeno generale, ma lo abbiamo fatto in un sistema molto diverso. E rispetto ai sistemi precedenti, il nostro è più semplice e supporta anche più canali elettronici. Altri materiali possono supportare solo una corsia di traffico sul bordo del materiale. All’improvviso l’abbiamo portato a cinque».

Come funziona

La grafite, il componente principale della mina delle matite, è composta da molti strati di grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape. Il grafene romboedrico è composto da cinque strati di grafene impilati in uno specifico ordine di sovrapposizione.

Il dottor Ju e colleghi hanno isolato il grafene romboedrico grazie a un nuovo microscopio (4) 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 soli pochi miliardesimi di metro.

Nel lavoro attuale, il team ha modificato il sistema originale, aggiungendo uno strato di bisolfuro di tungsteno (WS₂ ). «L’interazione tra il WS₂  e il grafene romboedrico pentastrato ha prodotto questa superstrada a cinque corsie che opera a campo magnetico zero», afferma Ju.

Confronto con la superconduttività

Il fenomeno che il gruppo Ju ha scoperto nel grafene romboedrico che consente agli elettroni di viaggiare senza resistenza in un campo magnetico pari a zero è noto come effetto Hall anomalo quantistico. La maggior parte delle persone ha più familiarità con la superconduttività, un fenomeno completamente diverso che fa la stessa cosa ma avviene in materiali molto diversi.

Ju osserva che, sebbene i superconduttori siano stati scoperti negli anni '10, ci sono voluti circa 100 anni di ricerca per convincere il sistema a funzionare alle temperature più elevate necessarie per le applicazioni. «E il record mondiale è ancora ben al di sotto della temperatura ambiente», osserva.

Allo stesso modo, l’autostrada romboedrica del grafene attualmente opera a circa 2 Kelvin, o -456 gradi Fahrenheit. «Ci vorrà molto impegno per aumentare la temperatura, ma come fisici, il nostro compito è fornire informazioni; un modo diverso per realizzare questo [fenomeno]», afferma Ju.

Estremamente emozionante

Le scoperte che coinvolgono il grafene romboedrico sono il risultato di una ricerca scrupolosa il cui funzionamento non era garantito. «Abbiamo provato molte ricette nel corso di molti mesi», afferma Han, «quindi è stato molto emozionante quando abbiamo raffreddato il sistema a una temperatura molto bassa e [un’autostrada a cinque corsie funzionante a campo magnetico zero] è semplicemente saltata fuori».

Ju conclude dicendo: «è molto emozionante essere il primo a scoprire un fenomeno in un nuovo sistema, soprattutto in un materiale che abbiamo scoperto».

Altri co-primi autori dell'articolo che hanno contribuito in egual misura al lavoro sono Zhengguan Lu e Yuxuan Yao. Lu è un postdoc presso il Laboratorio di ricerca sui materiali. Yao ha condotto il lavoro come studente universitario in visita presso la Tsinghua University. Altri autori sono il professore di fisica del MIT Liang Fu; Jixiang Yang e Junseok Seo, entrambi studenti laureati in fisica del MIT; Chiho Yoon e Fan Zhang dell'University of Texas a Dallas; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone. Questo lavoro è stato sostenuto da una Sloan Fellowship; la National Science Foundation degli Stati Uniti; l'Ufficio statunitense del Sottosegretario alla Difesa per la ricerca e l'ingegneria; la Società giapponese per la promozione della scienza KAKENHI; e la World Premier International Research Initiative del Giappone.

Riferimenti:

(1) Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene

(2) Long Ju

(3) MIT physicists turn pencil lead into “gold”

(4) Custom-made MIT tool probes materials at the nanoscale

Descrizione foto: Rappresentazione artistica di un'autostrada per gli elettroni recentemente scoperta che può verificarsi nel grafene romboedrico. - Credit: Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists create five-lane superhighway for electrons