Vortici di elettroni rilevati nei dischi di grafene

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Alcuni ricercatori svizzeri hanno recentemente fatto una scoperta affascinante nel campo della fisica dei materiali. Utilizzando un sensore magnetico ad alta risoluzione, sono riusciti a rilevare per la prima volta i vortici di elettroni nel grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale.

Il comportamento degli elettroni nei conduttori ordinari

Quando un normale conduttore elettrico, come un filo metallico, è collegato a una batteria, gli elettroni nel conduttore vengono accelerati dal campo elettrico creato dalla batteria. Mentre si muovono, gli elettroni spesso entrano in collisione con atomi di impurità o posti vacanti nel reticolo cristallino del filo, convertendo parte della loro energia cinetica in vibrazioni reticolari. L’energia persa in questo processo viene trasformata in calore, percepibile ad esempio toccando una lampadina a incandescenza.

Sebbene le collisioni con le impurità reticolari siano comuni, le collisioni tra gli elettroni sono molto più rare. La situazione però cambia quando al posto dei comuni fili di ferro o rame si utilizza il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Nel grafene, le collisioni con le impurità sono rare e le collisioni tra gli elettroni svolgono un ruolo dominante. In questo caso, gli elettroni si comportano più come un liquido viscoso e si prevede che nello strato di grafene si verifichino fenomeni di flusso ben noti, come i vortici.

Rilevazione di vortici di elettroni nel grafene

In un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Scienzai ricercatori del gruppo di Christian Degen dell’ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a rilevare direttamente i vortici di elettroni nel grafene, utilizzando un sensore di campo magnetico ad alta risoluzione.

I vortici si formavano in piccoli dischi circolari che Degen e i suoi colleghi avevano attaccato durante il processo di produzione a una striscia conduttiva di grafene larga un micrometro. I dischi avevano diametri diversi, compresi tra 1,2 e 3 micrometri. Calcoli teorici suggerivano che i vortici di elettroni dovrebbero formarsi in dischi più piccoli, ma non in quelli più grandi.

Microscopio per rilevamento quantistico altamente sensibile

Per rendere visibili i vortici, i ricercatori hanno misurato i minuscoli campi magnetici prodotti dagli elettroni che fluiscono attraverso il grafene. A tal fine, hanno utilizzato un sensore di campo magnetico quantistico costituito da un centro di posti vacanti di azoto (NV) incorporato nella punta di un ago di diamante. In quanto difetto atomico, il centro NV si comporta come un oggetto quantistico i cui livelli energetici dipendono da un campo magnetico esterno.

Usando raggi laser e impulsi a microonde, gli stati quantistici del centro possono essere preparati per essere massimamente sensibili ai campi magnetici. Leggendo gli stati quantistici con un laser, i ricercatori sono stati in grado di determinare l’intensità di questi campi con grande precisione.

Grazie alle minuscole dimensioni dell’ago di diamante e alla piccola distanza dallo strato di grafene – solo circa 70 nanometri – siamo riusciti a rendere visibili le correnti di elettroni con una risoluzione inferiore a un centinaio di nanometri “, spiega Marius Palm, ex dottorando nel gruppo di Degen. Questa risoluzione è sufficiente per vedere i turbinii.

Inversione della direzione del flusso

Nelle loro misurazioni, i ricercatori hanno osservato un segno caratteristico dei vortici previsti nei dischi più piccoli: un’inversione della direzione del flusso. Mentre nel normale trasporto elettronico (diffusivo) gli elettroni della banda e del disco fluiscono nella stessa direzione, nel caso di un vortice la direzione del flusso all’interno del disco è invertita. Come previsto dai calcoli, nei dischi più grandi non è stato possibile osservare vortici.

Grazie al nostro sensore estremamente sensibile e all’elevata risoluzione spaziale, non abbiamo nemmeno avuto bisogno di raffreddare il grafene e abbiamo potuto condurre gli esperimenti a temperatura ambiente », dichiara Marius Palm.

Inoltre, lui e i suoi colleghi non solo hanno rilevato vortici di elettroni, ma anche vortici formati da portatori di lacune. Applicando una tensione elettrica sotto il grafene, hanno modificato il numero di elettroni liberi in modo tale che il flusso di corrente non fosse più trasportato da elettroni, ma da elettroni mancanti, chiamati anche buchi. Solo nel punto di neutralità della carica, dove c’è una piccola concentrazione equilibrata di elettroni e lacune, i vortici sono completamente scomparsi.

Prospettive di ricerca

In questa fase, la rilevazione dei vortici elettronici è una questione di ricerca fondamentale e molte domande rimangono aperte », aggiunge Marius Palm.

Ad esempio, i ricercatori devono ancora capire come le collisioni degli elettroni con i bordi del grafene influenzano il modello di flusso e quali effetti si verificano in strutture ancora più piccole.

Il nuovo metodo di rilevamento utilizzato dai ricercatori dell’ETH consente anche di osservare più da vicino molti altri effetti esotici di trasporto elettronico nelle strutture mesoscopiche – fenomeni che si verificano su scale di lunghezza di decine di nanometri entro pochi micrometri.

Didascalia dell’illustrazione: Utilizzando un sensore di campo magnetico (freccia rossa) all’interno di un ago di diamante, i ricercatori dell’ETH hanno ripreso vortici di elettroni in uno strato di grafene (blu). (credito: Chaoxin Ding)

Palm M, Ding C, Huxter W, Taniguchi T., Watanabe K, Degen C: Osservazione dei vortici attuali nel grafene a temperatura ambiente. Scienza, 25 aprile 2024, DOI: 10.1126/science.adj2167

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