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I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno scoperto proprietà uniche nella grafite impilando cinque strati di grafene in una disposizione precisa. Questo grafene impilato a cinque strati può mostrare proprietà isolanti, magnetiche o topologiche, rappresentando un’importante scoperta nella fisica dei materiali utilizzando tecniche innovative di microscopia su scala nanometrica.
Isolamento in lamina sottile che può essere regolato per mostrare tre proprietà importanti.
Istituto di Tecnologia del Massachussetts I fisici hanno metaforicamente trasformato la grafite, o matita, in oro isolando cinque scaglie ultrafini impilate in una disposizione specifica. Il materiale risultante può quindi essere messo a punto per mostrare tre importanti proprietà mai viste prima nella grafite naturale.
“È come uno sportello unico”, afferma Long Guo, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica del MIT e leader della ricerca pubblicata nel numero del 5 ottobre della rivista. Nanotecnologie naturali. “La natura riserva molte sorprese. In questo caso, non ci siamo mai accorti che tutte queste cose interessanti sono nella grafite.
Inoltre, “è molto raro trovare materiali che possano ospitare così tante proprietà”, afferma.
L’ascesa della “Twistronics”
Di cui è fatta la grafite GrafeneÈ un singolo strato di atomi di carbonio disposti in forme esagonali che ricordano una struttura a nido d’ape. Il grafene, a sua volta, è stato al centro di intense ricerche da quando è stato isolato per la prima volta circa 20 anni fa. Circa cinque anni fa, i ricercatori, tra cui un team del MIT, hanno scoperto che impilando singoli fogli di grafene e ruotandoli leggermente l’uno rispetto all’altro, si potrebbero conferire nuove proprietà al materiale, dalla superconduttività al magnetismo. È nato il campo della “twistronics”.
Nel lavoro attuale, “abbiamo scoperto proprietà interessanti senza alcuna torsione”, afferma Gu, che è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali.
Una dimostrazione artistica del legame degli elettroni, o della capacità degli elettroni di comunicare tra loro, che può verificarsi in un tipo speciale di grafite (matita). Fonte immagine: Sampson Wilcox, Laboratorio di ricerca elettronica del MIT
Lui e i suoi colleghi hanno scoperto che cinque strati di grafene disposti in un ordine specifico consentono agli elettroni che si muovono all’interno del materiale di parlare tra loro. Questo fenomeno, noto come correlazione elettronica, “è la magia che rende possibili tutte queste nuove proprietà”, afferma Joe.
La grafite sfusa – e anche i singoli fogli di grafene – sono buoni conduttori elettrici, ma questo è tutto. Il materiale isolato da Gu e dai suoi colleghi, che chiamano grafene impilato a cinque strati, diventa molto più grande della somma delle sue parti.
Il nuovo microscopio e le sue scoperte
La chiave per isolare la materia era A Microscopio innovativo Joe al MIT nel 2021 potrà determinare una varietà di importanti proprietà della materia in modo rapido e relativamente economico. Scala nanometrica. Il grafene impilato con lo strato pentaedrico ha uno spessore di solo pochi miliardesimi di metro.
Gli scienziati, tra cui Gu, erano alla ricerca di grafene multistrato impilato in una disposizione molto precisa, nota come impilamento rombico. “Ci sono più di 10 possibili ordini di impilamento quando si scende a cinque strati”, afferma Joe. “Il romboedrico è solo uno di questi.” Il microscopio realizzato da Joe, noto come microscopia ottica a scansione di campo vicino a scattering, o s-SNOM, ha permesso agli scienziati di identificare e isolare solo i cinque strati che li interessavano nell’ordine di sovrapposizione romboidale.
Fenomeni fisici dalle molteplici sfaccettature
Da lì, il team ha attaccato gli elettrodi a un piccolo sandwich composto da “pane” di nitruro di boro che protegge la sottile “carne” del grafene pentaedrico impilato. Gli elettrodi hanno permesso loro di sintonizzare il sistema su tensioni diverse o quantità diverse. Il risultato: hanno scoperto che tre diversi fenomeni compaiono a seconda del numero di elettroni che inondano il sistema.
Nel laboratorio sono presenti il ricercatore post-dottorato del MIT Zhengguang Lu, l’assistente professore Long Ju e lo studente laureato Tonghang Han. I tre sono autori di un articolo sulla rivista Nature Nanotechnology su un tipo speciale di grafite (mina della matita), insieme ad altri sette. Credito: GoLab
“Abbiamo scoperto che la materia può essere isolante, magnetica o topologica”, afferma Gu. Quest’ultimo è correlato in una certa misura sia ai conduttori che agli isolanti. Joe spiega che un materiale topologico consente il movimento senza ostacoli degli elettroni attorno ai bordi del materiale, ma non attraverso il centro. Gli elettroni si muovono in una direzione lungo una “autostrada” ai margini del materiale, separata da un mezzo che costituisce il centro del materiale. Quindi il bordo di un materiale topologico è un conduttore perfetto, mentre il centro è un isolante.
“Il nostro lavoro stabilisce che il grafene multistrato impilato rombico è una piattaforma altamente sintonizzabile per studiare queste nuove possibilità per la fisica topologica e fortemente accoppiata”, concludono Guo e i suoi coautori. Nanotecnologie naturali.
Riferimento: “Dielettrico coerente e dielettrici Chern in grafene impilato a cinque strati” di Tonghang Han, Zhenguang Lu, Giovanni Scurri, Jihu Song, Gui Wang, Tian-Yi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park e Long Ju, 5 ottobre 2023, Nanotecnologie naturali.
doi: 10.1038/s41565-023-01520-1
Oltre a Gu, gli autori dell’articolo sono Tonghang Han e Zhenguang Lu. Han è uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica. Lu è un ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di ricerca sui materiali. Sono i primi autori del documento.
Altri autori sono Giovanni Scurri, Jiho Song, Joy Wang e Hongkun Park dell’Università di Harvard; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute of Materials Science in Giappone e Tianyi Han del Massachusetts Institute of Technology for Physics.
Questo lavoro è stato sostenuto da una Sloan Fellowship; Fondazione nazionale per la scienza degli Stati Uniti; Ufficio del Sottosegretario alla Difesa per la Ricerca e l’Ingegneria; Società giapponese per la promozione della scienza KAKENHI; La principale iniziativa di ricerca internazionale a livello mondiale in Giappone; e l’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica americana.
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