Individuato un vortice di elettroni nel grafene

Se si collega un normale conduttore elettrico - come un filo - a una batteria, gli elettroni del conduttore vengono accelerati dal campo elettrico generato dalla batteria. Gli elettroni si scontrano con atomi estranei e difetti del reticolo cristallino del filo e convertono parte della loro energia cinetica in vibrazioni del reticolo. Questo genera calore, che può ancora essere percepito direttamente nelle vecchie lampadine.

Mentre le collisioni con gli atomi del reticolo avvengono molto frequentemente, quelle tra gli elettroni sono molto più rare. Tuttavia, il quadro cambia se si utilizza il grafene al posto di un normale filo di ferro o di rame. Questo materiale è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo cristallino a nido d'ape. In questo materiale, le collisioni tra gli elettroni giocano il ruolo principale. Questo può arrivare al punto che gli elettroni si comportano come un liquido viscoso. In teoria, nello strato di grafene dovrebbero verificarsi i tipici fenomeni di flusso, come i vortici.

I ricercatori del gruppo di Christian Degen dell'ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a rilevare direttamente i vortici di elettroni nel grafene. Per farlo hanno utilizzato un sensore di campo magnetico ad alta risoluzione. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica pagina esternaScienza.

Dispositivo di misurazione quantistica altamente sensibile

I vortici sono stati creati in piccole protrusioni circolari che i ricercatori avevano attaccato alla pista conduttrice di grafene, larga solo un micrometro, durante la produzione. Le protuberanze avevano diametri diversi, compresi tra 1,2 e 3 micrometri. Secondo i calcoli teorici, i vortici di elettroni dovrebbero sorgere nelle protuberanze più piccole, ma non in quelle più grandi.

Per visualizzare i vortici, gli scienziati hanno misurato i piccoli campi magnetici generati dagli elettroni che si muovono nel grafene. A tal fine, hanno utilizzato un sensore di campo magnetico quantistico costituito da un cosiddetto centro di colore azoto-vacanza nella punta di un ago di diamante. Questo difetto atomico forma un oggetto quantistico i cui livelli energetici dipendono da un campo magnetico esterno. I raggi laser e gli impulsi di microonde possono essere utilizzati per preparare gli stati quantici del centro in modo che siano massimamente sensibili ai campi magnetici. Leggendo gli stati quantici con un laser, i ricercatori sono riusciti a determinare con estrema precisione l'intensità di questi campi.

"Grazie alle minuscole dimensioni dell'ago di diamante e alla piccola distanza dallo strato di grafene - solo circa 70 nanometri - siamo stati in grado di visualizzare le correnti di elettroni con una risoluzione inferiore a un centinaio di nanometri", spiega Marius Palm, dottorando del gruppo di Degen. Questa risoluzione è sufficiente per vedere i vortici di corrente".

Direzione del flusso ruotata

Nelle loro misurazioni, i ricercatori hanno osservato un segno caratteristico dei vortici previsti nei piccoli rigonfiamenti: l'inversione della direzione del flusso. Mentre in un normale trasporto di elettroni (diffusivo) le direzioni di movimento degli elettroni nel percorso di conduzione e nel bulge sono le stesse, in un vortice la direzione del flusso è invertita. Come previsto dai calcoli, nei bulge più grandi non si sono creati vortici.

"Grazie al nostro sensore altamente sensibile e ad alta risoluzione spaziale, non abbiamo nemmeno dovuto raffreddare il grafene per queste osservazioni e abbiamo potuto effettuare gli esperimenti a temperatura ambiente", spiega Palm. Lui e i suoi colleghi sono riusciti a rilevare non solo i vortici di elettroni, ma anche quelli di buche. Applicando una tensione al di sotto del grafene, hanno modificato il numero di elettroni liberi nel grafene in modo che il flusso di corrente non fosse più generato da elettroni, ma da elettroni mancanti, noti anche come buchi. Solo nel punto di neutralità, dove sia gli elettroni che le buche sono presenti in concentrazioni basse ed equilibrate, i vortici sono scomparsi completamente.

"Al momento, il rilevamento dei vortici di elettroni è una ricerca fondamentale e ci sono ancora molte domande in apertura", dice Palm. Ad esempio, occorre chiarire come le collisioni degli elettroni contro i bordi influenzino i modelli di flusso e quali effetti si verifichino con strutture ancora più piccole. In ogni caso, il metodo di rilevamento utilizzato dai ricercatori del Fare ricerca all'ETH consente di studiare più in dettaglio altri fenomeni esotici di trasporto di elettroni in strutture mesoscopiche, cioè da poche decine di nanometri a pochi micrometri.