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Studio su "Wonder Material". Grafene Stupisce i ricercatori

Gli scienziati HZDR scoprono una straordinaria ridistribuzione di elettroni nel grafene.

Gli scienziati dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno studiato per la prima volta la dinamica degli elettroni dal "materiale meraviglioso" in un campo magnetico. Ciò ha portato alla scoperta di un fenomeno apparentemente paradossale nel materiale. La sua comprensione potrebbe rendere possibile un nuovo tipo di laser in futuro. Insieme a ricercatori di Berlino, Francia, Repubblica Ceca e Stati Uniti, gli scienziati hanno descritto con precisione le loro osservazioni in un modello e ora hanno pubblicato le loro scoperte sulla rivista scientifica Nature Physics.

Il grafene è considerato un "materiale meraviglioso": la sua forza di rottura è superiore all'acciaio e conduce elettricità e calore in modo più efficace del rame. Essendo una struttura bidimensionale composta solo da un singolo strato di atomi di carbonio, è anche flessibile, quasi trasparente e circa un milione di volte più sottile di un foglio di carta. Inoltre, poco dopo la sua scoperta dieci anni fa, gli scienziati hanno riconosciuto che gli stati energetici del grafene in un campo magnetico - noti come livelli di Landau - si comportano in modo diverso rispetto a quelli dei semiconduttori. “Molti effetti affascinanti sono stati scoperti con il grafene in campi magnetici, ma la dinamica degli elettroni non è mai stata studiata in un tale sistema fino ad ora", Spiega il fisico Dr. Stephan Winnerl di HZDR.

I ricercatori di HZDR hanno esposto il grafene a un campo magnetico a quattro Tesla - quaranta volte più forte di un magnete a ferro di cavallo. Di conseguenza, gli elettroni nel grafene occupano solo determinati stati di energia. Le particelle caricate negativamente sono state virtualmente costrette su binari. Questi livelli di energia sono stati quindi esaminati con impulsi di luce laser a elettroni liberi presso l'HZDR. “L'impulso laser eccita gli elettroni in un certo livello di Landau. Un impulso temporalmente ritardato quindi sonda come il sistema si evolve", Spiega Martin Mittendorff, candidato di dottorato all'HZDR e primo autore dell'articolo.

La ridistribuzione degli elettroni sorprende gli scienziati

Il risultato degli esperimenti ha stupito i ricercatori. Questo particolare livello di energia, nel quale venivano pompati nuovi elettroni usando il laser, si svuotava gradualmente. Winnerl illustra questo effetto paradossale usando un esempio quotidiano: "Immagina un bibliotecario che ordina libri su una libreria con tre ripiani. Mette un libro alla volta dallo scaffale inferiore sulla mensola centrale. Suo figlio sta "aiutando" contemporaneamente prendendo due libri dallo scaffale centrale, posizionandone uno sul ripiano superiore e l'altro sul fondo. Il figlio è molto desideroso e ora il numero di libri sullo scaffale medio diminuisce anche se questo è esattamente lo scaffale che sua madre desidera riempire. "

Perché prima non esistevano né esperimenti né teorie su tali dinamiche, inizialmente i fisici di Dresda avevano difficoltà a interpretare correttamente i segnali. Dopo un certo numero di tentativi, tuttavia, hanno trovato una spiegazione: le collisioni tra elettroni causano questo riarrangiamento insolito. “Questo effetto è noto da tempo come scattering Auger, ma nessuno si aspettava che sarebbe stato così forte e avrebbe causato un esaurimento del livello di energia", Spiega Winnerl.

Questa nuova scoperta potrebbe essere utilizzata in futuro per lo sviluppo di un laser in grado di produrre luce con lunghezze d'onda arbitrariamente regolabili nei campi dell'infrarosso e del terahertz. “Un laser di livello Landau è stato a lungo considerato impossibile, ma ora con il grafene questo sogno dei fisici dei semiconduttori potrebbe diventare una realtà", Afferma entusiasta Winnerl.

I ricercatori di Berlino calcolano il modello complesso per gli esperimenti di Dresda

Dopo che il modello fondamentale utilizzato negli esperimenti aveva funzionato in modo soddisfacente, seguì il preciso lavoro teorico, che fu eseguito all'Università Tecnica di Berlino. Gli scienziati berlinesi Ermin Malic e Andreas Knorr hanno confermato, utilizzando calcoli complessi, le ipotesi del gruppo di Dresda e fornito approfondimenti dettagliati sui meccanismi sottostanti. I ricercatori dell'HZDR hanno inoltre collaborato con il laboratorio francese per l'alto campo magnetico a Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), la Charles University di Praga e il Georgia Institute of Technology di Atlanta (USA).

La ricerca è stata finanziata dall'associazione di ricerca tedesca DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) nell'ambito del programma "Graphene".

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