La grafite è costituita da grafene, che è 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. Poi, circa cinque anni fa, i ricercatori hanno scoperto che impilare singoli fogli di grafene e ruotarli leggermente l’uno rispetto all’altro potrebbe conferire nuove proprietà al materiale, dalla superconduttività al magnetismo. È nato il campo della “twistronics”.
“Nel lavoro attuale, abbiamo scoperto proprietà interessanti senza alcuna svolta”, ha affermato il ricercatore capo Long Guo in un comunicato stampa.
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”, ha detto Gu.
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 a cinque strati impilati, diventa molto più grande della somma delle sue parti, anche se ha uno spessore di solo pochi miliardesimi di metro.
Gli scienziati, incluso Gu, erano alla ricerca di grafene multistrato impilato in una disposizione precisa, nota come impilamento rombico.
“Ci sono più di 10 possibili ordini di impilamento quando ci si sposta fino a cinque strati. Il romboedrico è solo uno di questi”, ha detto lo scienziato.
Piccolo panino
Il microscopio che Joe ha costruito nel 2021, che può determinare in modo rapido e relativamente economico una varietà di importanti proprietà della materia su scala nanometrica, è stato utilizzato per identificare e isolare solo gli strati pentagonali nella disposizione di impilamento rombica a cui lui e i suoi colleghi erano interessati.
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.
“Abbiamo scoperto che la materia può essere isolante, magnetica o topologica”, ha detto Gu. Quest’ultimo è correlato in una certa misura sia ai conduttori che agli isolanti.
In sostanza, un materiale topologico consente il movimento senza ostacoli degli elettroni attorno ai bordi del materiale, ma non attraverso il centro. Gli elettroni viaggiano in una direzione lungo una “autostrada” ai margini del materiale, separati 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 romboedrico è una piattaforma altamente sintonizzabile per studiare queste nuove possibilità per la fisica topologica e fortemente accoppiata”, hanno concluso Guo e i suoi coautori.
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