L’arresto degli elettroni nel grafene
Il grafene rappresenta una forma fisica fondamentale del carbonio dotata di una struttura esagonale a nido d’ape, all’interno della quale gli elettroni si muovono come se fossero privi di massa. Gli elettroni presenti nel grafene prendono il nome di elettroni di Dirac, poiché seguono la stessa identica equazione delle particelle prive di massa che viaggiano alla velocità della luce, ovvero i fotoni. La loro velocità, all’incirca 300 volte inferiore rispetto alla velocità della luce, risulta comunque molto elevata rispetto a quella di altri materiali. Il progetto HOWTOCONTROLGRAPHENE (Search for mechanisms to control massless electrons in graphene) è stato concepito allo scopo di controllare il flusso di elettroni a causa dell’incapacità di un campo elettrico di interrompere il movimento di un elettrone privo di massa. Gli scienziati hanno scoperto che i bordi della struttura del grafene sono in grado di controllare in modo efficace i fermioni di Dirac, giungendo alla conclusione che un singolo parametro è in grado di descrivere un’ampia classe di limiti, determinando la densità degli stati elettronici e la velocità di propagazione lungo il bordo. La condizione del limite del singolo parametro offre un’efficace alternativa ai calcoli microscopici eseguiti dai computer. Partendo da questo presupposto, è possibile prevedere l’assenza di scattering intervalle per un’ampia classe di ricostruzioni e di orientamenti di bordi. Gli stati di edge lungo le interfacce grafene-superconduttore possono diventare superconduttivi conducendo a correnti di spin senza carica. Si tratta di una scoperta importante in virtù del fatto che gli elettroni privi di massa che fluiscono senza resistenza nel grafene potrebbero condurre alla creazione di dispositivi spintronici innovativi. La reazione tra il grafene e l’idrogeno atomico consente di trasformare questa molecola in un isolante. Sebbene il derivato del grafene conservi ancora il reticolo esagonale, il suo periodo diventa sensibilmente più breve. La letteratura presenta risultati contrastanti sulla capacità o meno delle masse casuali di localizzare i fermioni di Dirac, trasformando il grafene da metallo a isolante. Gli scienziati hanno risolto tale questione confrontando il comportamento dei fermioni di Dirac nel grafene e negli isolanti topologici. Grazie a una serie di calcoli computazionali, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare chiaramente l’assenza di fase metallica nel grafene con una massa casuale. L’avvicinamento dei fermioni di Dirac allo stato di un superconduttore potrebbe condurre alla conversione di queste particelle in una coppia di fermioni di Majorana, che, diversamente dai fermioni di Dirac, coincidono con le proprie antiparticelle. L’utilizzo di “statistiche non abeliane”, che rappresentano un componente ideale di un computer quantistico, ha consentito agli scienziati di fornire una serie di prove relative a queste particelle complesse.
Parole chiave
Grafene, elettronica veloce, senza massa, fermioni di Dirac, stati di edge, fermione di Majorana, computer quantistico
