Il grafene a strati con una torsione mostra effetti di confinamento quantistico unici in 2-D

Capire come si muovono gli elettroni nei sistemi di materiali stratificati 2-D potrebbe portare a progressi calcolo quantistico e comunicazione.

Scienziati che studiano due diverse configurazioni del doppio strato grafene—il bidimensionale (2-D), atomo-sottile forma di carbonio: hanno rilevato risonanze elettroniche e ottiche interstrato. In questi stati risonanti, gli elettroni rimbalzano avanti e indietro tra i due piani atomici nell'interfaccia 2-D alla stessa frequenza. Caratterizzando questi stati, hanno scoperto che torcere uno degli strati di grafene di 30 gradi rispetto all'altro, invece di impilare gli strati direttamente uno sopra l'altro, sposta la risonanza a un'energia inferiore.

Da questo risultato, appena pubblicato in Physical Review Letters, hanno dedotto che la distanza tra i due strati aumenta significativamente nella configurazione twistata, rispetto a quella impilata. Quando questa distanza cambia, cambiano anche le interazioni tra gli strati, influenzando il modo in cui gli elettroni si muovono nel sistema a doppio strato. La comprensione di questo movimento di elettroni potrebbe ispirare la progettazione di future tecnologie quantistiche per un'elaborazione più potente e una comunicazione più sicura.

"I chip dei computer odierni si basano sulla nostra conoscenza di come si muovono gli elettroni nei semiconduttori, in particolare nel silicio", ha affermato il primo autore e co-corrispondente Zhongwei Dai, un postdoc presso l'Interface Science and Catalysis Group presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). “Ma le proprietà fisiche del silicio stanno raggiungendo un limite fisico in termini di come piccoli transistor possono essere realizzati e quanti possono stare su un chip. Se riusciamo a capire come si muovono gli elettroni su scala ridotta di pochi nanometri nelle dimensioni ridotte dei materiali 2-D, potremmo essere in grado di sbloccare un altro modo per utilizzare gli elettroni per la scienza dell'informazione quantistica".

A pochi nanometri, o miliardesimi di metro, la dimensione di un sistema materiale è paragonabile a quella della lunghezza d'onda degli elettroni. Quando gli elettroni sono confinati in uno spazio con dimensioni della loro lunghezza d'onda, le proprietà elettroniche e ottiche del materiale cambiano. Questi effetti di confinamento quantistico sono il risultato del movimento ondulatorio della meccanica quantistica piuttosto che del movimento meccanico classico, in cui gli elettroni si muovono attraverso un materiale e sono dispersi da difetti casuali.

Per questa ricerca, il team ha selezionato un semplice modello materiale, il grafene, per studiare gli effetti di confinamento quantistico, applicando due diverse sonde: elettroni e fotoni (particelle di luce). Per sondare le risonanze elettroniche e ottiche, hanno utilizzato uno speciale substrato su cui trasferire il grafene. Jurek Sadowski, co-autore corrispondente e scienziato del CFN Interface Science and Catalysis Group, aveva precedentemente progettato questo substrato per la Quantum Material Press (QPress). Il QPress è uno strumento automatizzato in fase di sviluppo presso la CFN Materials Synthesis and Characterization Facility per la sintesi, l'elaborazione e la caratterizzazione di materiali 2-D stratificati. Convenzionalmente, gli scienziati esfoliano "scaglie" di materiale 2-D da cristalli progenitori 3-D (ad esempio, grafene dalla grafite) su un substrato di biossido di silicio spesso diverse centinaia di nanometri. Tuttavia, questo substrato è isolante e quindi le tecniche di interrogazione basate su elettroni non funzionano. Quindi, lo scienziato di Sadowski e CFN Chang-Yong Nam e lo studente laureato della Stony Brook University Ashwanth Subramanian hanno depositato uno strato conduttivo di ossido di titanio spesso solo tre nanometri sul substrato di biossido di silicio.

"Questo strato è sufficientemente trasparente per la caratterizzazione ottica e la determinazione dello spessore dei fiocchi esfoliati e dei monostrati impilati, mentre è sufficientemente conduttivo per la microscopia elettronica o le tecniche di spettroscopia basate sul sincrotrone", ha spiegato Sadowski.

Nel gruppo Charlie Johnson dell'Università della Pennsylvania—Rebecca W. Bushnell Professore di Fisica e Astronomia Charlie Johnson, il postdottorato Qicheng Zhang e l'ex postdottorato Zhaoli Gao (ora assistente professore all'Università cinese di Hong Kong)—hanno fatto crescere il grafene su lamine metalliche e trasferirlo sul substrato di ossido di titanio/biossido di silicio. Quando il grafene viene coltivato in questo modo, sono presenti tutti e tre i domini (strato singolo, impilato e attorcigliato).

Quindi, Dai e Sadowski hanno progettato e condotto esperimenti in cui hanno iniettato elettroni nel materiale con un microscopio elettronico a bassa energia (LEEM) e rilevato gli elettroni riflessi. Hanno anche sparato fotoni da un microscopio ottico basato su laser con uno spettrometro nel materiale e hanno analizzato lo spettro della luce diffusa. Questo microscopio Raman confocale fa parte del catalogatore QPress, che insieme al software di analisi delle immagini, può individuare le posizioni delle aree campione di interesse.

"Il microscopio QPress Raman ci ha consentito di identificare rapidamente l'area del campione target, accelerando la nostra ricerca", ha affermato Dai.

I loro risultati hanno suggerito che la spaziatura tra gli strati nella configurazione di grafene contorto è aumentata di circa il sei percento rispetto alla configurazione non contorta. I calcoli dei teorici dell'Università del New Hampshire hanno verificato il comportamento elettronico risonante unico nella configurazione contorta.

"I dispositivi realizzati con grafene ruotato possono avere proprietà molto interessanti e inaspettate a causa della maggiore spaziatura tra gli strati in cui gli elettroni possono muoversi", ha affermato Sadowski.

Successivamente, il team realizzerà dispositivi con il grafene contorto. Il team si baserà anche sugli esperimenti iniziali condotti dallo scienziato del personale del CFN Samuel Tenney e dai dottorandi del CFN Calley Eads e Nikhil Tiwale per esplorare come l'aggiunta di materiali diversi alla struttura a strati influisca sulle sue proprietà elettroniche e ottiche.

"In questa ricerca iniziale, abbiamo scelto il più semplice sistema di materiale 2-D che possiamo sintetizzare e controllare per capire come si comportano gli elettroni", ha affermato Dai. "Abbiamo in programma di continuare questo tipo di studi fondamentali, sperando di far luce su come manipolare i materiali per l'informatica e le comunicazioni quantistiche".

Questa ricerca è stata supportata dall'Office of Science del DOE e ha utilizzato le risorse del CFN e della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), entrambe le strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven. Il microscopio LEEM fa parte della stazione terminale di microscopia elettronica a fotoemissione di raggi X (XPEEM)/LEEM della linea di luce di spettro-microscopia elettronica a NSLS-II; il CFN gestisce questa stazione terminale attraverso un accordo con l'utente partner con NSLS-II. Le altre agenzie di finanziamento sono la National Science Foundation, il Research Grant Council della regione amministrativa speciale di Hong Kong e l'Università cinese di Hong Kong.

Per ulteriori informazioni su questa ricerca, leggi Atomicamente sottile, il grafene contorto ha proprietà uniche che potrebbero far avanzare il calcolo quantistico.

Riferimento: "Quantum-Well Bound States in Graphene Heterostructure Interfaces" di Zhongwei Dai, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel A. Tenney, Richard M. Osgood, Chang-Yong Nam, Jiadong Zang, AT Charlie Johnson e Jerzy T. Sadowski, 20 agosto 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.086805