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La proprietà del grafene appena scoperta potrebbe avere un impatto sull’elaborazione dati di prossima generazione

Artist’s representation of the nanoscopic structure of the new ferroelectric material developed by MIT researchers and colleagues. Blue and gold dots represent the boron and nitride atoms in two atomically thin sheets of boron nitride. Between these sheets are two layers of graphene; the whitish/blue dots represent carbon atoms. The gold vertical lines running through the figure represent the movement of electrons. Credit: Ella Maru Studio

Ricercatori e colleghi del MIT hanno scoperto un’importante – e inaspettata – proprietà elettronica del grafene, un materiale scoperto solo circa 17 anni fa che continua a sorprendere gli scienziati con la sua fisica interessante. Il lavoro, che coinvolge strutture composte da strati atomicamente sottili di materiali che sono anche biocompatibili, potrebbe inaugurare nuovi paradigmi di elaborazione delle informazioni più veloci. Una potenziale applicazione è nel calcolo neuromorfico, che mira a replicare le cellule neuronali del corpo responsabili di tutto, dal comportamento ai ricordi.

Il lavoro introduce anche una nuova fisica che i ricercatori sono entusiasti di esplorare.

“Le eterostrutture basate sul grafene continuano a produrre sorprese affascinanti. La nostra osservazione della ferroelettricità non convenzionale in questo sistema semplice e ultrasottile sfida molte delle ipotesi prevalenti sui sistemi ferroelettrici e può aprire la strada a un’intera generazione di nuovi materiali ferroelettrici”, afferma Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT e leader del lavoro, che ha coinvolto una collaborazione con altri cinque docenti del MIT di tre dipartimenti.

Una nuova proprietà

Il grafene è composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d’ape. Dalla scoperta del materiale, gli scienziati hanno dimostrato che diverse configurazioni degli strati di grafene possono dare origine a una varietà di proprietà importanti. Le strutture a base di grafene possono essere superconduttori, che conducono l’elettricità senza resistenza, o isolanti, che impediscono il movimento dell’elettricità. È stato persino scoperto che mostrano magnetismo.

Nel lavoro in corso, che è stato riportato lo scorso dicembre su Nature , i ricercatori del MIT e colleghi mostrano che il grafene a doppio strato può anche essere ferroelettrico. Ciò significa che le cariche positive e negative nel materiale possono separarsi spontaneamente in diversi strati.

Nella maggior parte dei materiali, le cariche opposte vengono attratte l’una dall’altra; vogliono combinarsi. Solo l’applicazione di un campo elettrico li costringerà a lati opposti, o poli. In un materiale ferroelettrico non è necessario alcun campo elettrico esterno per tenere separate le cariche, dando luogo ad una polarizzazione spontanea. Tuttavia, l’applicazione di un campo elettrico esterno ha un effetto: un campo elettrico di direzione opposta farà sì che le cariche cambino lato e invertano la polarizzazione.

Per tutti questi motivi, i materiali ferroelettrici vengono utilizzati in una varietà di sistemi elettronici, dagli ultrasuoni medici alle schede di identificazione a radiofrequenza (RFID).

I ferroelettrici convenzionali, tuttavia, sono isolanti. Il ferroelettrico basato sul grafene del team guidato dal MIT opera attraverso un meccanismo completamente diverso, una fisica diversa, che gli consente di condurre l’elettricità. E questo apre una miriade di applicazioni aggiuntive. “Quello che abbiamo trovato qui è un nuovo tipo di materiale ferroelettrico”, dice Zhiren (Isaac) Zheng, uno studente laureato del MIT in fisica e primo autore del documento Nature.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, coautore dell’articolo e assistente professore al Boston College, mette il lavoro in prospettiva. “Ci sono sfide associate ai ferroelettrici convenzionali che le persone hanno lavorato per superare. Ad esempio, la fase ferroelettrica diventa instabile mentre il dispositivo continua a essere miniaturizzato. Con il nostro materiale, alcune di queste sfide potrebbero essere risolte automaticamente”. Ma ha condotto l’attuale lavoro come collaboratore post-dottorato attraverso il Laboratorio di ricerca sui materiali (MRL) del MIT.

Modelli importanti

La struttura creata dal team è composta da due strati di grafene, un doppio strato, inseriti tra strati atomicamente sottili di nitruro di boro (BN) sopra e sotto. Ogni strato BN ha un’angolazione leggermente diversa dall’altro. Guardando dall’alto, il risultato è un motivo unico chiamato superlattice moiré. Un motivo moiré, a sua volta, “può cambiare drasticamente le proprietà di un materiale”, dice Zheng.

Il gruppo di Jarillo-Herrero ne ha dimostrato un importante esempio nel 2018. In quel lavoro, riportato anche su Nature , i ricercatori hanno impilato due strati di grafene. Quegli strati, tuttavia, non erano esattamente uno sopra l’altro; piuttosto, uno è stato leggermente ruotato di un “angolo magico” di 1,1 gradi. La struttura risultante ha creato un motivo moiré che a sua volta ha permesso al grafene di essere un superconduttore o un isolante a seconda del numero di elettroni nel sistema fornito da un campo elettrico. Essenzialmente il team è stato in grado di “regolare il grafene per comportarsi a due estremi elettrici”, secondo una notizia del MIT all’epoca.

“Quindi, creando questa struttura moiré, il grafene non è più grafene. Si trasforma quasi magicamente in qualcosa di molto, molto diverso”, dice Ma.

Nel lavoro attuale, i ricercatori hanno creato un motivo moiré con fogli di grafene e nitruro di boro che ha portato a una nuova forma di ferroelettricità. La fisica coinvolta nel movimento degli elettroni attraverso la struttura è diversa da quella dei ferroelettrici convenzionali.

“La ferroelettricità dimostrata dal gruppo del MIT è affascinante”, afferma Philip Kim, professore di fisica e fisica applicata all’Università di Harvard, che non è stato coinvolto nella ricerca.

“Questo lavoro è la prima dimostrazione che riporta pura ferroelettricità elettronica, che mostra polarizzazione di carica senza movimento ionico nel reticolo sottostante. Questa sorprendente scoperta darà sicuramente il via a ulteriori studi che possono rivelare fenomeni emergenti più eccitanti e fornire l’opportunità di utilizzarli per applicazioni a memoria ultraveloce.  ”

I ricercatori mirano a continuare il lavoro non solo dimostrando il potenziale del nuovo materiale per una varietà di applicazioni, ma anche sviluppando una migliore comprensione della sua fisica . “Ci sono ancora molti misteri che non comprendiamo appieno e che sono fondamentalmente molto intriganti”.

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