Il grafene porta gli effetti quantistici nei circuiti elettronici

Immagine NESTFlusso di elettroni in strutture ibride bidimensionali

In un recente articolo pubblicato sulla rivista Nature Communications, di cui il primo autore è Andrea Gamucci (borsista post-doc della Scuola Normale Superiore e in staff al Laboratorio NEST), i ricercatori presentano una nuova classe di strutture elettroniche composte in cui un foglio di grafene monolayer (singolo strato) o bilayer (doppio strato) è posto in prossimità di un pozzo quantico ospitato in una eterostruttura di arseniuro di gallio.

Un pozzo quantico in un semiconduttore, contraddistinto da valori di energia discreti, confina il moto degli elettroni in un piano bidimensionale. Quando ad un pozzo quantico e’ accoppiato un foglio di grafene, si forma un sistema ibrido formato da due diversi materiali bidimensionali, e questa nuova struttura può essere usata per investigare l’interazione degli elettroni con le buche presenti nel sistema. Una buca si forma non appena un elettrone si eccita in uno stato energetico ad energia maggiore di quella di partenza, lasciando al proprio posto una quasi-particella che si comporta come un elettrone “mancante” con carica positiva anziché negativa (è bene distinguere la buca dall’antiparticella reale degli elettroni, il positrone)

Superfluidità in strutture 2D

Nel caso dell’eterostruttura ibrida grafene-GaAs descritta nell’articolo pubblicato su Nature Communications, le misure di trascinamento Coulombiano (“Coulomb drag”) tra le cariche che popolano i due strati di materiali sono consistenti con le forti interazioni elettriche previste per tali strati, per cui la forza di attrazione elettrostatica che si genera tra gli elettroni e le buche nei dispositivi a stato solido può portare ad avere effetti di superfluidità fino alla condensazione di Bose-Einstein. In altre parole, l’interazione tra i diversi strati di materiale rende manifesti effetti quantistici in insiemi grandi di elettroni  e buche,  confinati in dispositivi di dimensione micrometrica.

“Abbiamo dimostrato che tali effetti possono aver luogo quando gli elettroni sono confinati in un pozzo molto stretto di arseniuro di gallio, mentre le buche sono confinate in un foglio di grafene a singolo o doppio strato,” spiega Marco Polini, docente SNS e ricercatore di CNR Nano tra i principali autori dell’articolo. “Elettroni e buche, separati da solo poche decine di nanometri si attraggono reciprocamente per mezzo di una delle forze più potenti che esistono in natura – la forza elettrica. A temperature sufficientemente basse, i nostri esperimenti rivelano che può emergere una fase superfluida nella quali correnti di segno opposto fluiscono in due strutture bidimensionali separate.” Continua Pellegrini: “Queste correnti fluiscono con una dissipazione minima e possono rendere possibile la creazione di dispositivi elettronici capaci di dissipare pochissima energia.” Aggiunge Ferrari: “Questo è un ulteriore esempio di risultati di frontiera resi possibili dall’assemblaggio deterministico di grafene con altre strutture bidimensionali, cosa che corrisponde precisamente all’obiettivo finale della Flagship Grafene dell’Unione Europea.”
Per maggiori informazioni: http://graphene-flagship.eu/? news=graphene-brings-quantum- effects-to-electronic-circuits