La luce fa deragliare gli elettroni attraverso il grafene

Impressione artistica per l’effetto Hall selettivo della valle. Credito: ICFO/ Matteo Ceccanti

Il modo in cui gli elettroni fluiscono in un materiale determina le sue proprietà elettroniche. Ad esempio, quando una tensione è sostenuta attraverso un materiale, gli elettroni iniziano a fluire, generando una corrente elettrica. Si pensa spesso che questi elettroni fluiscano in percorsi rettilinei, muovendosi lungo il campo elettrico, proprio come una palla che rotola giù da una collina. Eppure queste non sono le uniche traiettorie che gli elettroni possono percorrere: quando viene applicato un campo magnetico, gli elettroni non percorrono più percorsi rettilinei lungo il campo elettrico, ma infatti si piegano. I flussi elettronici piegati portano a segnali trasversali chiamati risposte “Hall”.

Ora, è possibile piegare gli elettroni senza applicare un campo magnetico? In uno studio recentemente pubblicato in scienza, un team internazionale di ricercatori sulla luce riferisce che la polarizzazione circolare può indurre flussi elettronici piegati nel grafene a doppio strato. Lo studio è stato condotto da un team composto da scienziati dell’ICFO Jianbo Yin (attualmente ricercatore del Beijing Graphene Institute, Cina), David Barcons, Iacopo Torre, guidato dal Prof. all’ICFO Frank Koppens, in collaborazione con Cheng Tan e James Hone della Columbia University, Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del NIMS Japan e il Prof. Justin Song della Nanyang Technological University (NTU) di Singapore.

Jianbo Yin, primo autore dello studio, ricorda come tutto ebbe inizio. “Questo studio collaborativo è iniziato nel 2016 con una conversazione tra Justin Song e Frank Koppens in una conferenza scientifica”. Come spiega Justin Song, “Gli elettroni non sono solo particelle, ma possono avere una natura simile a un’onda quantistica”. Nei materiali quantistici, come il grafene a doppio strato, il modello d’onda degli elettroni può mostrare un complesso avvolgimento spesso indicato come geometria quantistica. “Frank ed io abbiamo parlato della possibilità di sfruttare la geometria quantistica nel grafene a doppio strato per piegare il flusso di elettroni con la luce invece di usare i campi magnetici”.

Con questo in mente, Jianbo Yin, un ricercatore nel team di Frank Koppens, ha deciso di accettare la sfida di realizzare sperimentalmente questo fenomeno insolito. “Il nostro dispositivo è stato molto complicato da costruire. Ci sono voluti costruire molti dispositivi e volare alla Columbia University per lavorare con Cheng Tan e James Hone per migliorare la qualità del dispositivo”.

La luce fa deragliare gli elettroni attraverso il grafene

Primo piano di uno dei dispositivi utilizzati per l’esperimento condotto da Jianbo Yin e colleghi. Credito immagine: ICFO. Crediti: ICFO

Geometria quantistica e selettività di valle

Nel grafene a doppio strato, ci sono due sacche di valli di elettroni (K e K’): quando viene applicato un campo elettrico perpendicolare, le proprietà geometriche quantistiche degli elettroni in queste due valli possono farli piegare in direzioni opposte. Di conseguenza, i loro effetti Hall vengono annullati.






Nel loro studio, il team di scienziati ha scoperto che applicando una luce infrarossa polarizzata circolare sul dispositivo a doppio strato di grafene, sono stati in grado di eccitare selettivamente una specifica popolazione di elettroni della valle nel materiale, che ha generato una fototensione perpendicolare al normale flusso di elettroni. Come sottolinea Koppens, “Ora abbiamo progettato il dispositivo e l’impostazione in modo tale che la corrente fluisca solo con illuminazione leggera. In questo modo, siamo stati in grado di evitare il rumore di fondo che ostacola le misurazioni e ottenere una sensibilità nel rilevamento di diversi ordini di grandezza migliore rispetto a qualsiasi altro materiale 2D.” Questo sviluppo è significativo perché i fotorivelatori convenzionali spesso richiedono grandi bias di tensione che possono portare a “correnti oscure” che fluiscono anche quando non c’è luce.

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    Primo piano di uno dei dispositivi utilizzati per l’esperimento condotto da Jianbo Yin e colleghi. Credito immagine: ICFO. Crediti: ICFO

  • La luce fa deragliare gli elettroni attraverso il grafene

    Jianbo Yin lavora al cablaggio del dispositivo nel suo nuovo laboratorio di ricerca presso il Beijing Graphene Institute in Cina, dove sta continuando la sua ricerca sul campo. Credito: Jianbo Yin

Yin osserva che “possiamo controllare la curvatura degli elettroni con il campo elettrico fuori piano che applichiamo. Possiamo cambiare l’angolo di curvatura di questi elettroni, che può essere quantificato dalla conduttività di Hall. Controllando la manopola di tensione, ‘ la curvatura della bacca [one characteristic of quantum geometry]può essere sintonizzato, il che può portare a una conduttività di Hall gigante”.

I risultati dello studio aprono un nuovo regno di molte applicazioni di rilevamento e imaging, come conclude infine Koppens. “Tale scoperta potrebbe avere importanti implicazioni nelle applicazioni per il rilevamento a infrarossi e terahertz poiché il grafene a doppio strato può essere trasformato da semimetallo a semiconduttore con un gap di banda molto piccolo, quindi può rilevare fotoni di energie molto piccole. Può anche essere utile, ad esempio, per imaging nello spazio, imaging medico, ad esempio per il cancro della pelle dei tessuti, o anche per applicazioni di sicurezza come l’ispezione della qualità dei materiali”.

La luce fa deragliare gli elettroni attraverso il grafene

Jianbo Yin lavora nel suo nuovo laboratorio di ricerca presso il Beijing Graphene Institute in Cina, dove sta continuando la sua ricerca nel campo. Credito: Jianbo Yin

Le possibilità sono molteplici e le prossime fasi della ricerca incentrate su nuovi materiali 2D, come il materiale moiré, grafene a doppio strato attorcigliato, potrebbero trovare nuovi modi per controllare i flussi di elettroni e proprietà optoelettroniche non convenzionali.


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Maggiori informazioni:
Jianbo Yin et al, Effetto Hall selettivo della valle sintonizzabile e gigante nel grafene a doppio strato gap, scienza (2022). DOI: 10.1126/science.abl4266. www.science.org/doi/10.1126/science.abl4266

Citazione: La luce fa deragliare gli elettroni attraverso il grafene (2022, 24 marzo) recuperata il 25 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-derails-electrons-graphene.html

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