I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente fatto una scoperta sorprendente nel campo della fisica dei materiali. Hanno trovato un modo per trasformare metaforicamente il grafite in oro, anche se in realtà si tratta di un processo che avviene solo a livello teorico. I fisici del MIT hanno creato un metodo per isolare cinque sottilissimi strati di grafite, uno dei principali componenti della mina della matita, che sono impilati in un ordine specifico. Questo nuovo materiale ha dimostrato tre importanti proprietà che non erano mai state osservate nella grafite naturale fino ad ora.
Secondo Long Ju, professore assistente presso il Dipartimento di Fisica del MIT e leader del lavoro, questa scoperta è stata come fare shopping in un unico posto. La natura ha molte sorprese e in questo caso, non ci eravamo mai resi conto che tutte queste cose interessanti fossero presenti nella grafite. Ju ha aggiunto che è molto raro trovare materiali che possano ospitare così tante proprietà.
Ma cosa sta succedendo esattamente? La grafite è composta da grafene, che è uno strato singolo di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d’ape di esagoni. Da quando è stato isolato per la prima volta circa 20 anni fa, i ricercatori hanno dedicato molta attenzione a questo materiale stupefacente. Circa cinque anni fa, i ricercatori del MIT hanno scoperto che impilare fogli di grafene e poi torcerli leggermente l’uno rispetto all’altro può conferire al materiale nuove proprietà eccitanti, creando un nuovo campo di ricerca chiamato “twistronics”.
Tuttavia, il lavoro più recente del MIT ha scoperto nuove proprietà interessanti nel grafene senza alcuna torsione. Ju e i suoi colleghi hanno scoperto che cinque strati di grafene disposti in un ordine specifico permettevano agli elettroni che si muovevano al loro interno di “parlare” tra loro, in quello che è noto come correlazione degli elettroni. Questo fenomeno è la magia che rende possibili tutte queste nuove proprietà.
Il materiale isolato da Ju e dai suoi colleghi è stato chiamato “grafene impilato pentaleggiante romboedrico”. Questa struttura incredibile ha uno spessore di soli pochi miliardesimi di metro. Nel 2021, Ju ha costruito un microscopio che può determinare rapidamente e relativamente a basso costo una varietà di importanti caratteristiche di un materiale a livello nanometrico. Il microscopio, che utilizza la microscopia ottica di scansione a campo vicino di tipo scattering (s-SNOM), consente agli scienziati di identificare e isolare ordini di impilamento specifici.
È stato mentre si studiava l’impilamento del grafene a più strati che i ricercatori sono riusciti a isolare i pentaleggi in ordine di impilamento romboedrico, che è uno dei più di 10 possibili ordini di impilamento. Per studiare le proprietà di questo materiale, i ricercatori hanno collegato elettrodi a un piccolo sandwich composto di nitruro di boro, che protegge il grafene impilato pentaleggiante romboedrico. Gli elettrodi hanno permesso loro di controllare e regolare il sistema con diverse tensioni, il che ha portato all’emergere di tre diversi fenomeni all’interno del materiale, ognuno dei quali dipende dal numero di elettroni nel sistema.
Il materiale può essere isolante, magnetico o topologico. Un materiale topologico consente il movimento ininterrotto degli elettroni intorno al bordo del materiale, ma non attraverso il suo centro. Questo fenomeno è in qualche modo correlato sia ai conduttori che agli isolanti. Il nostro lavoro stabilisce il grafene impilato pentaleggiante romboedrico come una piattaforma altamente regolabile per studiare queste nuove possibilità di fisica fortemente correlata e topologica, conclude il team nel loro articolo. Lo studio è stato pubblicato su Nature Nanotechnology.
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