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Il bireticolo di grafene con rotazione magica 31/05/2022 16:43 #195

  • Paolo
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Il bireticolo di grafene con rotazione magica: vento di novità dalla Scuola di Capri 2022 sulle Nanostrutture
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 Arturo Tagliacozzo
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Giunta con il 2022 alla sua XVI edizione, la Capri Spring School on Transport in Nanostructures, organizzata annualmente nella splendida e stimolante cornice dell’Isola, si è affermata come un evento di punta per diffondere le conoscenze nel suo dominio di avanguardia e guardare assieme al futuro. Alle sessioni dedicate alla ricerca, si aggiungono iniziative dedicate alla diffusione della cultura scientifica tra i più giovani studenti delle Scuole Secondarie Superiori.
Vi raccontiamo le grandi novità che stanno emergendo nel campo trattato della scuola di quest’anno:  cosa accade sovrapponendo due strati di grafene appena ruotati di un angolo “magico”, il Magic Angle Twisted Bilayer Graphene.       
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Fig. 1. Un foglio perfettamente bidimensionale di grafene, costituito da un reticolo di atomi di carbonio
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Fig. 2. Sovrapponendo due strati ruotati di un piccolissimo angolo, nascono nuove funzionalità inattese. Immagine NIST
   
Dal transistor al monostrato di grafene. 
Dai tempi dei transistor (anni ’50 del secolo scorso) e della microelettronica (anni ’70), il drogare in modo controllato i semiconduttori con altri atomi definiti “impurezze”, o creare giunzioni semiconduttore/sottile strato isolante/semiconduttore (o metallo), condotto alla “nanoelettronica”, alla scala del “nanometro” (miliardesimo di metro). Nel 2004 avvenne la prima grossa rivoluzione concettuale con l’isolamento del grafene.  Fino ad allora chiunque parlasse di ordine cristallino bidimensionale era guardato con sospetto. I teorici elevavano anatemi facendosi scudo di teoremi: un reticolo bidimensionale di atomi non è stabile. Di certo ormai le tecniche di deposizione anche di monostrati su un substrato sono molto sviluppate. La nanolitografia consente grandi trucchi. Cannoncini in strutture a vuoto sputano atomi che si organizzano in reticoli ordinati su un substrato (sputtering). La fisica dei materiali non era più solo la creazione di sostanze a nuova composizione chimica ma anche l’ingegnerizzazione di strutture la cui geometria presentasse interesse per le proprietà ottiche od elettriche. Ci vollero due fisici sperimentali di Manchester, Geim e Novoselov, che per programma dedicavano il venerdì pomeriggio a “divagazioni” lontane dall’ impellenza dei loro progetti di ricerca, i quali, un giorno del 2004, quasi per giocare, presero della grafite che, come si sa guardando una punta di matita, è a strati e scistosa, vi attaccarono per bene un nastro di Scotch sopra, e tirarono. Guardandolo al microscopio, essi constatarono che così si erano portati via solo alcuni strati di grafite. Talvolta, si riusciva a fare in modo che fosse un monostrato, uno strato soltanto (monostrato, o monolayer) di atomi di carbonio esattamente bidimensionale (figura 1). Privato dello Scotch, esso poteva anche essere sospeso come fosse un pannello non rigido, appoggiato su due sgabelli. La cosa ha creato la rivoluzione che sappiamo, è finita sul New York Times che è la rivista scientifica più di grido e propedeutica al premio Nobel, e su tutti gli altri giornali. Per 10 anni se ne sono studiate le proprietà strutturali (elasticità e rigidità, proprietà termiche ed elettroniche), davvero eccezionali.                                          
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Fig. 3. Il Magic Angle Twisted Bilayer Graphene. Courtesy of ICFO / Xiaobu Lu
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Fig. 4. Sovrapponendo due strati ruotati di un piccolo angolo, nascono funzionalità nuove e inattese. Immagine NIST
 
  
Alla ricerca di proprietà topologiche.
Gli studi sul grafene hanno aperto il campo anche ad un nuovo modo di cercare nei materiali proprietà di natura non locale in generale non evidenti, ma che siano inalterabili in relazione a difetti o a variazioni di geometria o di purezza. Oggi queste proprietà si chiamano “topologiche”. Sono proprietà non riducibili, per lo stesso motivo per cui potete con piccole deformazioni locali modificare un bicchierone da tisana con manico in una ciambella, ma non potete eliminare il buco che caratterizza ambedue le forme, a meno di non romperle.  Così si è dunque ormai alla ricerca di proprietà nascoste dei materiali che siano irriducibili, concentrandosi nello studio della loro fisica. Per definizione, qualunque sia la “fenotipia” che rende un campione diverso da un altro, queste proprietà topologiche sono inalterabili. Da un punto di vista industriale, dove il produrre pezzi dalle proprietà identiche è cruciale, l’irriducibilità di queste funzionalità apre il campo a innumerevoli applicazioni. Solo la loro individuazione e la fantasia futura ci diranno come cambierà il nostro mondo.
Ma torniamo al grafene: la Scuola di Capri di quest’anno ha discusso di un sommovimento accaduto nel 2018, quando Pablo Jarillo-Herrero del MIT ha sovrapposto due fogli di grafene uno sull’altro (“bilayer” o “bireticolo”) ruotandoli uno rispetto all’altro di un angolo molto piccolo, circa 1.1°. Questo angolo è detto angolo “magico” e l’insieme dei due fogli di grafene è detto “Magic Angle Twisted Bilayer Graphene” (figure 2,3).  Alla periodicità esagonale si sovrappone una nuova periodicità molto più estesa, un fenomeno ben noto e tipico di molte di queste operazioni. Vengono definite “periodicità di moiré”. La cosa che più ha stupefatto gli sperimentatori è la particolare strutturazione degli elettroni connessa con queste nuove periodicità, definita “a bande di energia piatte”. Esse implicano che gli elettroni (che sempre anche onde sono) tendono a localizzarsi in punti particolari del reticolo in modo ordinato, distanti l’uno dall’altro, ma assolutamente correlati. La parola “correlati” non dovrebbe suonare nuova. È la stessa condizione che si realizza in un magnete quando tutti gli elettroni, al di sotto di una certa temperatura, orientano i loro “momenti magnetici” nella stessa direzione. 
Questi siti preferenziali si possono riempire di elettroni aggiuntivi, appoggiando il bireticolo su un substrato e portandolo ai voltaggi voluti (con un opportuno potenziale elettrico “di gate”, come rappresentato nella figura 4). Le proprietà di conduzione elettrica del materiale cambiano drasticamente in dipendenza o della densità di elettroni indotta, o dell’angolo di rotazione (twist angle). 
Drogando un semiconduttore nel modo usuale, si aggiungono atomi “di impurezza” contenenti elettroni localizzati, ma che poi possono entrare in conduzione e quindi si aggiungono a tutti gli altri elettroni già disponibili. Dimenticano l’atomo che li ha portati e si mischiano indifferentemente con tutti gli altri. Drogare è la tecnica base di tutta l’elettronica attuale. In genere le impurezze restano ciascuna per sé, non formano strutture periodiche e comunque la loro distribuzione nel reticolo non influenza le proprietà elettroniche generali. Nessuna (o trascurabile) correlazione tra elettroni si stabilisce.  La specialità qui è che gli elettroni aggiunti elettricamente si vanno a collocare in una forma ordinata e lontani gli uni dagli altri, pur rimanendo del tutto correlati. Non sono ciascuno per sé, lontani e incapaci di muoversi, come accade in un normale isolante, perché questo non è un normale isolante, ma è un “isolante topologico”. Le proprietà di conduzione cambiano drasticamente con il riempimento di queste “bande di energia piatte” o, se volete con la densità di elettroni indotta nel bireticolo di grafene.
La fisica connessa a questo effetto è molto particolare e si rifà al cosiddetto “Effetto Hall Quantistico” (QHE), scoperto nei primi anni ’80 del secolo scorso. In quel caso un fortissimo campo magnetico applicato perpendicolarmente ad uno strato di semiconduttore (il MOSFET) genera livelli piatti di energia connessi a fenomeni di quantizzazione (nel caso specifico resistenza elettrica a salti) e antesignani di queste ”bande piatte”. Si dovette aspettare gli anni ’80 dello scorso secolo per scoprirlo (mentre l’effetto Hall classico è noto da fine ‘800), perché campi magnetici così forti non erano disponibili, e tuttora lo sono in un numero ristretto di laboratori. 
Nel bireticolo magico, invece, la densità elettronica “di riempimento” modifica le proprietà di conduzione del materiale passando attraverso differenti fasi metalliche o isolanti che ricordano questi salti. Sono le zone a diverso colore, rappresentate nella figura 5 in un intervallo di temperature vicino al grado Kelvin in temperatura “assoluta” T ( circa -272 °C): si vede così che, se si abbassa sufficientemente la temperatura, lo stato diventa addirittura di metallo superconduttore (il colore blu delle zone indicate con SC nella figura).
Il colore marrone in figura 5 indica alta resistenza (comportamento da isolante): zone con le caratteristiche del QHE ma che si ottengono senza bisogno di campo magnetico! L’ordine nella fase “marrone” non è magnetico, è “topologico”! A guardarci bene, in questo stato di isolante topologico, applicando un debole campo magnetico, si ritrovano proprietà quantizzate a salti, simili a quelle del QHE (che sono le dita marroni che si vedono nella figura 6).     
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Fig. 5.  Le bande piatte del bireticolo magico di grafene. Le zone marroni corrispondono a un comportamento da isolante
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Fig. 6.  Traguardando con una linea orizzontale (ovvero, a campo magnetico B fissato, si incrociano le linee che descrivono un comportamento isolante (riprodotte schematicamente nella parte b della figura), variando, a salti, la densità elettronica ν.
 
 
Dove siamo, dove andiamo?
 Tutte le interpretazioni date qui sono ancora speculative e non c’è accordo tra i vari studiosi dei fenomeni descritti, come emerso nelle importanti discussioni nate all’interno della Scuola di Capri. È però intuibile l’eccezionalità della  scoperta che con piccoli voltaggi e  piccoli campi magnetici si possano ottenere in modo controllato drastiche modifiche delle proprietà e funzionalità di questi bireticoli di grafene, offrendo in più strutture leggerissime, pieghevoli e assorbitrici di pochissima energia. Questo fa pensare alla possibilità che i dispositivi che ne deriveranno rimpiazzeranno presto i transistor, i diodi, i Mosfet e gli altri dispositivi elettronici attuali. Essi ci fanno immaginare  un mondo tutto da scoprire, con applicazioni  tutte da inventare. 
Abbiamo parafrasato Paul Gauguin nel titolo di queste osservazioni conclusive. Citiamo infine il famoso invito di Richard Feynman con la quale si è aperta la corsa alle nanotecnologie, in fondo alla scala delle dimensioni dei dispositivi:
”There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics” 
 
(da un seminario tenuto alla riunione annuale dell’American Physical Society, Caltech, 29 dicembre 1959.
  
Ringraziamenti.
Si ringraziano gli autori delle immagini che sono state estratte dal materiale relativo alla Scuola di Capri (ancora incompleto), reperibile sul sito  www.capri-school.eu/lecture-notes-and-presentat/  .  L’articolo è dedicato al prof. Vincenzo Marigliano Ramaglia, scomparso l’11.5.2022, amico e collega che ha insegnato la Fisica della Materia a generazioni di studenti dell’Università di Napoli.  
Arturo Tagliacozzo
 

Si prega Accedi a partecipare alla conversazione.

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