Grafene a doppio strato: una nuova frontiera nella valleytronica

Il grafene è un materiale formato da uno strato singolo di atomi di carbonio disposti in una struttura a nido d'ape bidimensionale. Quando impili due strati di grafene in un modo specifico, chiamato impilamento Bernal, si forma il grafene bilayer. Questo materiale ha proprietà elettriche uniche che i ricercatori stanno iniziando a sfruttare per tecnologie avanzate, compresi i valleytronics.

I valleytronics sono un nuovo campo di ricerca che si concentra sulle valli nella struttura a bande elettroniche dei materiali. In parole semplici, queste valli sono come picchi energetici locali dove possono risiedere gli elettroni. I ricercatori vogliono usare queste valli per memorizzare e processare informazioni, proprio come facciamo noi con la carica o lo spin nell'elettronica tradizionale. La sfida è che in molti materiali, inclusi i semiconduttori convenzionali, è difficile controllare queste valli.

Con la scoperta del grafene nel 2004, gli scienziati hanno iniziato a guardare ai materiali bidimensionali, che mostravano promesse per i valleytronics. Il grafene ha due valli agli angoli della sua struttura a bande energetiche, che sono cruciali per le applicazioni valleytroniche. Le idee iniziali si sono concentrate sull'uso del grafene per il trasporto elettronico. Tuttavia, i difetti a livello atomico nei dispositivi reali mischiavano le valli e rendevano difficile sfruttare il loro potenziale.

Un approccio alternativo è usare la Luce per eccitare i Portatori di carica all'interno del materiale. Tuttavia, nel grafene puro, le valli hanno proprietà ottiche simili, rendendo difficile misurare e controllare la polarizzazione delle valli, che si riferisce alla concentrazione di portatori di carica in una particolare valle. A energie luminose più elevate, un fenomeno chiamato distorsione trigonometrica permette ai portatori di carica provenienti da diverse valli di espandersi nello spazio quando la luce li colpisce. Questo effetto potrebbe permettere ai ricercatori di controllare le valli, ma a queste energie più elevate, gli stati delle valli tendono a mescolarsi a causa dei processi di scattering, riducendo la loro utilità per i valleytronics.

Per superare queste limitazioni, gli scienziati possono cambiare le proprietà del grafene posizionandolo su substrati particolari che rompono la sua simmetria di inversione, come l'azoturo di boro. Questo cambiamento apre un gap di banda nel materiale, dando origine a nuove proprietà ottiche. Nel grafene con gap, i ricercatori possono selettivamente eccitare gli elettroni in diverse valli usando luce polarizzata circolarmente, che è luce che oscilla in modo circolare. Questo effetto è stato osservato in altri materiali bidimensionali con gap, ma nel grafene puro, la separazione delle valli è più difficile.

L'attenzione si è spostata sul grafene bilayer, specificamente sulla versione senza gap impilata Bernal. Studi recenti hanno messo in evidenza i comportamenti unici del grafene bilayer, rivelando fenomeni come le transizioni di fase a molti corpi e la superconduttività. I ricercatori hanno scoperto che i portatori di carica nel grafene bilayer possono essere separati spazialmente quando viene proiettata luce a bassa energia su di essi, grazie all'arrangiamento anisotropico delle valli. Questo significa che i portatori di carica provenienti da diverse valli si muovono verso lati diversi della macchia luminosa. Questa separazione è ulteriormente amplificata quando si utilizza luce polarizzata linearmente, che può allineare il momento dei portatori di carica.

Anche quando si introduce un gap nel grafene bilayer, i ricercatori hanno notato che le proprietà dipendenti dalla valle persistono. Nel grafene bilayer con gap, il comportamento della luce può anche distinguere tra le valli. Questo significa che è possibile rilevare quanti portatori di carica appartengono a ciascuna valle in base al tipo di polarizzazione circolare che emettono.

I ricercatori hanno proposto di usare queste caratteristiche per creare nuovi tipi di dispositivi chiamati dispositivi optovalleytronici. Questi dispositivi approfitterebbero della capacità di separare i portatori di carica in base al loro indice di valle. I ricercatori hanno delineato due configurazioni sperimentali per dimostrare questo concetto.

Nella prima configurazione, il grafene bilayer uniformemente gappato è esposto a luce polarizzata linearmente. Questa luce eccita i portatori di carica nel materiale. A causa della struttura a bande unica del grafene bilayer, i portatori di carica provenienti da valli opposte si allontaneranno dalla macchia luminosa, portando a una separazione spaziale. Quando i portatori di carica raggiungono i bordi del materiale, possono emettere luce di diverse polarizzazioni circolari a seconda di quale valle provengano. Ciò significa che misurando la luce emessa ai bordi, gli scienziati possono raccogliere informazioni sulla polarizzazione delle valli.

Nella seconda configurazione, una regione centrale di grafene bilayer senza gap è circondata da regioni con un gap. L'area senza gap permetterà ai portatori di carica di muoversi più liberamente, il che significa che possono propagarsi nelle aree gappate senza mescolamenti significativi. Di nuovo, la luce polarizzata circolarmente emessa dalle diverse regioni gappate avrà una mano opposta, consentendo la rilevazione della polarizzazione delle valli.

Entrambe le configurazioni si concentrano sull'uso delle proprietà bulk del grafene bilayer ed evitano gli effetti di bordo che spesso complicano la manipolazione delle valli nei dispositivi tradizionali. I ricercatori mirano a lavorare nella gamma di frequenze terahertz, che è importante per le tecnologie future.

Esperimenti recenti hanno dimostrato che gli stati delle valli nel grafene bilayer possono esistere a lungo, durando molto più a lungo rispetto agli stati di spin tradizionali nei materiali. Questa longevità rende il grafene bilayer un forte candidato per applicazioni potenziali nel campo emergente dei valleytronics quantistici.

In conclusione, le proprietà uniche del grafene bilayer consentono una manipolazione efficace delle valli usando la luce. I portatori di carica provenienti da diverse valli possono essere separati spazialmente, e il loro indice di valle può essere conservato, fornendo una via promettente per futuri dispositivi optovalleytronici. Con il proseguire della ricerca, il grafene bilayer potrebbe diventare un attore chiave nel futuro delle tecnologie elettroniche avanzate, offrendo nuovi modi per processare e memorizzare informazioni.