Le proprietà del grafene a strati
Il grafene, un materiale composto da uno strato di carbonio spesso un solo atomo, ha delle proprietà molto particolari. Gli atomi sono disposti in una struttura esagonale e il materiale è molto resistente e in grado di trasmettere l’elettricità. Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno scoperto che impilando cinque strati di grafene in un particolare pattern si possono ottenere proprietà magnetiche ed elettroniche uniche, mai viste prima in un materiale.
Per ottenere il grafene, i ricercatori hanno preso del grafite, il materiale presente all’interno di una matita, e hanno separato gli strati più sottili. Successivamente, hanno impilato cinque di questi strati in un pattern romboedrico e ne hanno misurato le proprietà.
Una proprietà magnetica particolare
Innanzitutto, il grafene a cinque strati ha mostrato una proprietà magnetica particolare, chiamata “stato multiferroico”, che è molto rara. Ma non è tutto, ha anche mostrato un tipo unico di comportamento elettronico, chiamato “ferro-valleytricità”, che è la causa dello stato multiferroico.
“Il grafene è un materiale affascinante”, ha dichiarato Long Ju, professore assistente di fisica al MIT. “Ogni strato aggiunto ci dà essenzialmente un nuovo materiale. E ora è la prima volta che vediamo la ferro-valleytricità e il magnetismo non convenzionale in cinque strati di grafene. Ma non vediamo questa proprietà in uno, due, tre o quattro strati”.
L’arrangiamento degli strati e il posizionamento del campione vicino allo zero assoluto permettono l’emergere di interazioni tra gli elettroni. Sono in gioco interazioni quantistiche che determinano il comportamento complessivo del sistema.
“In cinque strati, gli elettroni si trovano in un ambiente reticolare in cui si muovono molto lentamente, quindi possono interagire efficacemente con altri elettroni”, ha aggiunto Ju. “È in questo momento che gli effetti di correlazione degli elettroni iniziano a dominare e possono coordinarsi in determinati ordini ferroici preferiti”.
Le proprietà ferroiche
La prima proprietà ferroica è che tutti gli elettroni coordinano il loro movimento orbitale, simile a come gli elettroni si allineano lungo il loro spin in un magnete normale. La seconda proprietà ferroica riguarda le “valli”, i due stati di energia più bassa che gli elettroni possono occupare nel grafene. Di solito, gli elettroni non discriminano tra una valle e l’altra. Ma nel materiale a cinque strati, ne scelgono una più dell’altra.
Queste due proprietà risultano in un magnetismo complessivo che è multiferroico, quindi campi magnetici possono essere applicati a un materiale per ottenere più stati preferiti. Questo può essere utile in applicazioni che possiedono un’efficienza superiore rispetto ai materiali e ai dispositivi tradizionali.
“Avere proprietà multiferroiche in un unico materiale significa che, se si potesse scrivere un hard disk magnetico risparmiando energia e tempo, si potrebbe anche memorizzare il doppio delle informazioni rispetto ai dispositivi convenzionali”, ha spiegato Ju.
