Un foglio di carbonio dello spessore di un singolo atomo noto come grafene ha notevoli proprietà quantistiche da solo, ma le cose possono diventare ancora più interessanti quando si impilano più fogli.
Quando due o più fogli di grafene sovrapposti sono leggermente disallineati – ruotati a determinati angoli l’uno rispetto all’altro – assumono una miriade di identità esotiche.
A seconda dell’angolo di torsione, questi materiali, noti come materia quantistica moiré, possono improvvisamente generare i propri campi magnetici, diventare superconduttori con resistenza elettrica pari a zero o, al contrario, trasformarsi in isolanti perfetti.
L’illustrazione mostra due doppi strati (due doppi strati) di grafene che il team del NIST ha utilizzato nei suoi esperimenti per studiare alcune delle proprietà esotiche del materiale quantistico moiré. Il riquadro a sinistra fornisce una vista dall’alto di una porzione dei due doppi strati, mostrando il motivo moiré che si forma quando un doppio strato viene ruotato con un piccolo angolo rispetto all’altro. Credito immagine: B. Hayes/NIST
Joseph A. Stroscio e i suoi colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST), insieme a un team internazionale di collaboratori, hanno sviluppato un “righello quantistico” per misurare ed esplorare le strane proprietà di questi materiali contorti.
Il lavoro potrebbe anche portare a un nuovo standard miniaturizzato per la resistenza elettrica in grado di calibrare i dispositivi elettronici direttamente in fabbrica, eliminando la necessità di inviarli a un laboratorio di standard fuori sede.
Il collaboratore Fereshte Ghahari, un fisico della George Mason University di Fairfax, in Virginia, ha preso due strati di grafene (noto come grafene a doppio strato) di circa 20 micrometri di diametro e li ha attorcigliati rispetto ad altri due strati per creare un dispositivo di materia quantistica moiré.
Ghahari ha realizzato il dispositivo utilizzando l’impianto di nanofabbricazione presso il Centro per la scienza e la tecnologia su scala nanometrica del NIST. I ricercatori del NIST Marlou Slot e Yulia Maximenko hanno poi raffreddato questo dispositivo materiale contorto fino a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto, riducendo i movimenti casuali di atomi ed elettroni e aumentando la capacità degli elettroni nel materiale di interagire.
Dopo aver raggiunto temperature ultrabasse, hanno esaminato come i livelli energetici degli elettroni negli strati di grafene cambiavano quando variavano l’intensità di un forte campo magnetico esterno. Misurare e manipolare i livelli energetici degli elettroni è fondamentale per la progettazione e la produzione di dispositivi a semiconduttore.
Per misurare i livelli di energia, il team ha utilizzato un versatile microscopio a scansione tunnel Stroscio progettato e costruito al NIST. Quando i ricercatori hanno applicato una tensione ai doppi strati di grafene nel campo magnetico, il microscopio ha registrato la minuscola corrente proveniente dagli elettroni che si “incanalavano” dal materiale alla punta della sonda del microscopio.
In un campo magnetico gli elettroni si muovono lungo traiettorie circolari. Normalmente, le orbite circolari degli elettroni nei materiali solidi hanno un rapporto speciale con un campo magnetico applicato: l’area racchiusa da ciascuna orbita circolare, moltiplicata per il campo applicato, può assumere solo un insieme di valori fissi e discreti, a causa della natura quantistica degli elettroni.
Per mantenere quel prodotto fisso, se il campo magnetico viene dimezzato, l’area racchiusa da un elettrone orbitante deve raddoppiare. La differenza di energia tra i successivi livelli di energia che seguono questo schema può essere utilizzata come segni di spunta su un righello per misurare le proprietà elettroniche e magnetiche del materiale.
Qualsiasi sottile deviazione da questo modello rappresenterebbe un nuovo righello quantistico in grado di riflettere le proprietà magnetiche orbitali del particolare materiale moiré quantistico che i ricercatori stanno studiando.
Questo ingrandimento di uno dei siti nel materiale quantistico moiré raffigura i livelli energetici degli elettroni a forma di scala (punti rossi e blu a destra). Lo sfondo della scala ricorda l’energia della carta millimetrata, indicando che il livello di energia misurato può essere utilizzato come una sorta di righello quantistico per determinare le proprietà elettriche e magnetiche del materiale. Credito immagine: B. Hayes/NIST
Infatti, quando i ricercatori del NIST hanno variato il campo magnetico applicato ai doppi strati di grafene moiré, hanno trovato prove di un nuovo sovrano quantistico in gioco. L’area racchiusa dall’orbita circolare degli elettroni moltiplicata per il campo magnetico applicato non equivaleva più a un valore fisso. Invece, il prodotto di questi due numeri si era spostato di una quantità dipendente dalla magnetizzazione dei doppi strati.
Questa deviazione si è tradotta in una serie di segni di graduazione diversi per i livelli energetici degli elettroni. I risultati promettono di gettare nuova luce su come gli elettroni confinati in fogli ritorti di grafene danno origine a nuove proprietà magnetiche.
“Utilizzando il nuovo righello quantistico per studiare come le orbite circolari variano con il campo magnetico, speriamo di rivelare le sottili proprietà magnetiche di questi materiali quantistici moiré”, ha detto Stroscio.
Nei materiali quantistici moiré, gli elettroni hanno una gamma di possibili energie – alte e basse, a forma di cartone di uova – che sono determinate dal campo elettrico dei materiali. Gli elettroni sono concentrati negli stati energetici più bassi, o valli, del cartone.
La grande spaziatura tra le valli nei doppi strati, maggiore della spaziatura atomica in ogni singolo strato di grafene o in più strati che non sono attorcigliati, spiega alcune delle insolite proprietà magnetiche trovate dal team, ha detto il fisico teorico del NIST Paul Haney.
Gli elettroni nel materiale moiré quantistico sono intrappolati da un potenziale elettrico a forma di cartone di uova; gli elettroni sono concentrati nelle valli (stati energetici più bassi) del cartone. Credito immagine: S. Kelley/NIST
I ricercatori, tra cui colleghi dell’Università del Maryland a College Park e del Joint Quantum Institute, una partnership di ricerca tra il NIST e l’Università del Maryland, hanno descritto il loro lavoro nel numero del 6 ottobre di Scienza.
Poiché le proprietà della materia quantistica moiré possono essere scelte selezionando uno specifico angolo di torsione e un numero di strati atomicamente sottili, le nuove misurazioni promettono di fornire una comprensione più profonda di come gli scienziati possono personalizzare e ottimizzare le proprietà magnetiche ed elettroniche dei materiali quantistici per un ospite. di applicazioni nella microelettronica e nei settori correlati.
Ad esempio, è già noto che i superconduttori ultrasottili sono rilevatori estremamente sensibili di singoli fotoni, e i superconduttori con effetto moiré quantistico sono tra i più sottili.
Il team del NIST è interessato anche a un’altra applicazione: nelle giuste condizioni, la materia quantistica moiré può fornire un nuovo standard più facile da usare per la resistenza elettrica.
La presente norma si basa sui valori discreti di resistenza che un materiale assume quando un forte campo magnetico viene applicato agli elettroni in uno strato bidimensionale. Questo fenomeno, noto come effetto Hall quantistico, ha origine dagli stessi livelli energetici quantizzati degli elettroni nelle orbite circolari discusse sopra.
I valori di resistenza discreti possono essere utilizzati per calibrare la resistenza in vari dispositivi elettrici. Ma poiché è necessario un forte campo magnetico, le calibrazioni possono essere condotte solo presso una struttura metrologica come il NIST.
Se i ricercatori potessero manipolare la materia moiré quantistica in modo che abbia una magnetizzazione netta anche in assenza di un campo magnetico applicato esterno, ha detto Stroscio, allora potrebbe essere potenzialmente utilizzata per creare una nuova versione portatile dello standard più preciso per la resistenza, noto come lo standard anomalo di resistenza di Hall quantistica.
Le calibrazioni dei dispositivi elettronici potrebbero essere eseguite presso il sito di produzione, con un potenziale risparmio di milioni di dollari.
Scritto da Ron Cowen
Articolo: MR Slot, Y. Maximenko, PM Haney, S. Kim, DT Walkup, E. Strelcov, Son T. Le, EM Shih, D. Yildiz, SR Blankenship, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Barlas, NB Zhitenev, F. Ghahari e JA Stroscio. Un righello quantistico per il magnetismo orbitale nella materia quantistica moiré. Scienza. 5 ottobre 2023. DOI: 10.1126/science.adf2040
Fonte: NIST
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