Grafene: La materia quantistica crea parti di carica elementare
Ciò che conosciamo dalla scuola come la più piccola carica può ulteriormente decomporsi in materia estranea. A questo scopo, infatti, sono necessari i campi magnetici. Ma anche senza questo, l’effetto è stato ora dimostrato in un materiale che ci sorprende sempre: il grafene.
© Kokada/Getty Images/iStock (dettagli)
Nel grafene, gli atomi di carbonio sono disposti piatti in una forma esagonale. Anche i singoli strati mostrano proprietà quantomeccaniche sorprendenti e, se impilati uno sopra l’altro, sono ancora più sorprendenti.
In alcuni materiali, sotto l'influenza dei campi magnetici, si formano speciali quasiparticelle che trasportano solo una piccola parte della carica elementare. Come una squadra sui fisici quantistici Lungo Joe del MIT di Cambridge hanno dimostrato che funziona con il grafene anche senza campo magnetico. Impilando il materiale bidimensionale in modo speciale, I ricercatori hanno definito questo gruppo anomalo per la prima volta Un fenomeno quantistico davvero strano.
Nel cosiddetto effetto Hall quantistico parziale per la sua scoperta Il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato nel 1998, viene creata una sorta di fluido quantistico. Gli elettroni della materia si combinano con i componenti del campo magnetico. Come hanno scoperto diversi gruppi di ricerca nel 2023, una variante anomala dell’effetto può verificarsi in materiali 2D disposti in modo intelligente anche senza campo magnetico; Tuttavia, il grafene non sembra essere adatto a questo scopo. In questo caso l’effetto Hall è stato parzialmente quantitativo È stato scoperto in forti campi magnetici nel 2009 E 2021 con debolema non è possibile farne a meno.
Il team di Long Ju inizialmente ha scoperto attraverso indagini teoriche che potrebbe essere possibile produrre l'effetto nel grafene. I calcoli hanno rivelato la peculiarità del grafene, che è impilato in cinque strati sfasati e inserito tra due strati di nitruro di boro. Il nitruro di boro esagonale è simile al grafene, ma in proporzioni diverse, e quindi crea uno schema di punti chiari e scuri quando posizionati uno sopra l'altro. Secondo il modello, questo stesso reticolo influenzerebbe gli elettroni all’interno del grafene in modo simile all’effetto di un campo magnetico.
Alla fine, i ricercatori hanno provato la loro ricetta. Hanno preparato un sandwich di nitruro di grafene e boro e lo hanno messo nel frigorifero del loro laboratorio, che ovviamente non era un normale frigorifero: portava il campione a temperature estremamente basse. Il movimento degli elettroni viene notevolmente rallentato, tanto da formare interazioni tra loro e con il reticolo del grafene. Infatti, le misurazioni della corrente elettrica hanno mostrato un effetto Hall quantistico parziale anomalo, in assenza di un campo esterno!
Il grafene è già noto per insoliti fenomeni quantistici. Gli strati attorcigliati l'uno rispetto all'altro possono condurre l'elettricità senza perdite. L’effetto appena scoperto aiuterà a comprendere meglio queste proprietà elettroniche. Dalla pubblicazione iniziale di Long Ju sugli esperimenti La comunità professionale dibatte sulle possibili cause microscopiche. In futuro, i ricercatori sperano che sarà più semplice per le applicazioni correlare i diversi effetti quantistici elettronici nei componenti se sono basati sullo stesso materiale, come la superconduttività e le cariche frazionarie nel grafene.
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