Il grafene porta gli effetti quantistici nei circuiti elettronici

Ricercatori mostrano che i materiali bidimensionali portano gli effetti quantistici nel mondo macroscopico, creando il potenziale per i dispositivi elettronici che dissipano pochissima energia.

Un team di ricercatori del laboratorio Nest di Istituto Nanoscienze del Cnr (CnrNano) e Scuola Normale Superiore (SNS), insieme a colleghi dell’Istituto Italiano di Tecnologia e Università di Cambridge e di Princeton, ha messo a punto una nuova classe di strutture elettroniche composte, in cui il grafene – in forma di monostrato o doppio strato – è abbinato a un pozzo quantico di arseniuro di gallio. Lo studio è riportato sulla rivista Nature Communication.

Un pozzo quantico, struttura di semiconduttore con valori discreti di energia, confina il moto degli elettroni in un piano bidimensionale. Il reticolo di carbonio del grafene è pure una struttura bidimensionale. Un foglio di grafene accoppiato a un pozzo quantico è una sistema ibrido formato da due diversi materiali bidimensionali, e tale struttura composta può essere usata per studiare l’interazione tra elettroni e lacune del sistema. Una lacuna si forma quando un elettrone viene eccitato e passa a uno stato energetico superiore, lasciando spazio a una quasi-particella che si comporta come un elettrone “mancante”, di carica positiva anziché negativa.

Nel caso della struttura ibrida di grafene e arseniuro di gallio realizzata dai ricercatori, le misure delle forze di trascinamento Coulombiano (“Coulomb drag”) tra le cariche che occupano i due strati di materiali, sono risultate in accordo con le forti interazioni elettriche previste per tali strati, per cui la forza di attrazione elettrostatica tra elettroni e lacune può generare effetti quantistici come la superfluidità, o la condensazione di Bose-Einstein. In altre parole, la forte interazione tra gli strati di materiale rende evidenti gli effetti quantistici in grandi insiemi di elettroni e buche confinate in dispositivi di dimensioni micrometriche.

“Abbiamo dimostrato che tali effetti si possono manifestare quando gli elettroni sono confinati in un pozzo molto sottile di arseniuro di gallio e le buche sono confinate in un foglio di grafene, monostrato o bistrato,” spiega Marco Polini di CnrNano, tra i principali autori dello studio. “Elettroni e buche separati da poche decine di nanometri si attraggono reciprocamente tramite una delle forze più intense presenti in natura – la forza elettrica. A temperature sufficientemente basse, i nostri esperimenti mostrano che può emergere una fase superfluida nella quale correnti di segno opposto fluiscono in due strutture  bidimensionali distinte”.

“Queste correnti fluiscono con minima dissipazione, e possono permettere di realizzare una serie di dispositivi elettronici in grado di dissipare poca energia”, aggiunge Vittorio Pellegrini dei Graphene Labs di IIT. “Questo è un nuovo esempio dei risultati di frontiera resi possibili dall’assemblaggio deterministico del grafene con altre strutture bidimensionali”, conclude Andrea Ferrari dell’Università di Cambridge, “che è proprio uno degli obiettivi finali del Graphene Flagship Project”.

RIFERIMENTI

  1. http://graphene-flagship.eu/?news=graphene-brings-quantum-effects-to-electronic-circuits
  2. Anomalous low-temperature Coulomb drag in graphene-GaAs heterostructures. Gamucci, D. Spirito, M. Carrega, B. Karmakar, A. Lombardo, M. Bruna, L. N. Pfeiffer, K. W. West, A. C. Ferrari, M. Polini & V. Pellegrini. Nature Communications 5, 5824 (2014) [doi:10.1038/ncomms6824]

Per informazioni

Maddalena Scandola – Ufficio Comunicazione CnrNano
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mail: comunicazione@nano.cnr.it
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