venerdì 15 gennaio 2016

IIT: GRAZIE AL GRAFENE SCOPERTO NUOVO COMPORTAMENTO DEGLI ELETTRONI

È la prima volta che si dimostra sperimentalmente che gli elettroni a temperature elevate si comportano come un fluido molto viscoso. Prime applicazioni nella diagnostica medica ma anche nel campo del controllo di qualità dei prodotti (farmaci e alimentari) e della sicurezza (rilevamento di esplosivi).

Pellicola di grafene - Shutterstock
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Sul nuovo numero di Science  - una delle due più prestigiose riviste specializzate – è stato pubblicato oggi lo studio di fisica teorica e sperimentale in cui per la prima volta si dimostra come in un foglio di grafene ultra-pulito il comportamento degli elettroni sia analogo a quello di un fluido viscoso, con caratteristiche tipiche della idrodinamica.

Lo studio è coordinato da Marco Polini, Senior Scientist dei Graphene Labs IIT, vede il coinvolgimento dell’Università di Manchester, dell’Università di Nijmegen, della Scuola Normale Superiore e del Consiglio Nazionale delle Ricerche e annovera fra i suoi autori (D. A. Bandurin, I. Torre, R. K. Kumar, M. Ben Shalom, A. Tomadin, A. Principi, G. H. Auton, E. Khestanova, I. V Grigorieva, L. A. Ponomarenko) anche K. S. Novoselov e A. K. Geim (Nobel Prize in Physics 2010).

Lo studio sperimentale si è svolto in transistor di eccezionale qualità basati su fogli di grafene incapsulati tra cristalli di nitruro di boro. In particolare, si dimostra mediante misure di trasporto elettrico a temperature non criogeniche (ovvero ben superiori alla temperatura dell’azoto liquido) come gli elettroni in questi cristalli ultra-puliti si comportino come liquidi viscosi e siano ben descritti da equazioni idrodinamiche simili a quelle che descrivono il comportamento dell’acqua in un fiume con ostacoli o dell’aria vicino alla vela di una barca o all’ala di un jet. Il comportamento idrodinamico degli elettroni sopravvive fino a temperatura ambiente, valori a cui la viscosità del liquido diventa molto bassa aprendo la strada a studi fondamentali di turbolenza elettronica in piccoli transistor.
Il comportamento idrodinamico degli elettroni in questi transistor, in combinazione con l’utilizzo di radiazione di grande lunghezza d’onda (radiazione Terahertz, con lunghezza d’onda compresa tra 1 millimetro e 30 micron), apre la strada a possibili applicazioni che spaziano dall’ambito biomedico alla sicurezza, dalle comunicazioni wireless sicure e a banda larga al monitoraggio ambientale. In particolare sarà possibile miniaturizzare e far funzionare a temperatura ambiente fotorilevatori di radiazione Terahertz, ovvero dispositivi in grado di rivelare radiazione elettromagnetica di grandissima lunghezza d’onda. Questa radiazione, presenta vantaggi rispetto a onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda più corta: per esempio in ambito biomedico la radiazione Terahertz ha l’enorme vantaggio di essere non invasiva (non ionizzante). Il comportamento idrodinamico degli elettroni nel grafene potrebbe permettere di migliorare nel senso detto sopra dispositivi di imaging biomedici e fotorilevatori impiegati nel controllo di qualità (dall’alimentare al farmaceutico) e nel campo dell’“homeland security” (per esempio per monitoraggio di esplosivi o sostanze nocive).

Nel numero di Science oltre allo studio di IIT vengono raccolte altre due pubblicazioni provenienti da Harvard e Max Planck Institute (Dresden) che in qualche modo inaugurano una nuova frontiera tecnologica.


Figura: Schematizzazione della scoperta. Nel pannello superiore si vede un dispositivo elettronico (transistor) con svariati elettrodi, alcuni dei quali sono stati numerati. L’area blu rappresenta un foglio di grafene di alta qualità (incapsulato in nitruro di boro). Nell’esperimento viene iniettata una corrente I dall’elettrodo 1 posto sul lato superiore del transistor. 

La corrente viene estratta all’elettrodo 2. Si misura (e si calcola, sulla base dell’equazioni matematiche dell’idrodinamica) la caduta di potenziale tra gli elettrodi 3 e 4. Nel pannello inferiore abbiamo rappresentato con delle frecce il percorso della corrente in un liquido di elettroni fortemente viscoso. In assenza di viscosità, la caduta di potenziale VV misurata tra gli elettrodi 3 e 4 è positiva: gli elettroni di solito tendono a muoversi dalle regioni a potenziale basso verso le regioni a potenziale alto (per minimizzare la loro energia potenziale). 

A causa della elevata viscosità, invece, si forma un vortice di corrente alla destra dell’elettrodo d’iniezione. Corrente iniettata dall’elettrodo 1 tende a tornare indietro a causa della viscosità. Nel caso di un liquido di elettroni molto viscoso quindi, gli elettroni possono muoversi in senso contrario a quello usale, dando origine ad una caduta di potenziale negativa VV. Tali resistenze negative (la resistenza in questione è il rapporto tra la caduta di potenziale VV e la corrente iniettata I) sono state predette teoricamente e misurate sperimentalmente.

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Ringraziamo per la comunicazione  Valeria delle Cave
ISTITUTO ITALIANO DI TECNOLOGIA
Direzione Comunicazione e Relazioni Esterne
Media Relations and Digital Communication

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