Grafene: tena affrontato più e più volte nel nostro blog, in quanto secondo noi rappresenta il meta-materiale del futuro. Se siete nostri blogUtenti, e ci seguite con assiduità, questo già lo sapete.
Oggi, però, grazie alla notizia che ci arriva dagli Stati Uniti, dovremo rivalutare la posizione del grafene nel panorama dei materiali visionari e futuribili.
Presso il Dipartimento dell'Energia USA dei Berkeley National Laboratory, infatti, un gruppo di ricercatori ha scoperto ciò che può essere ritenuto a tutti gli effetti una controparte tridimensionale del grafene, il materiale costituito da un foglio di carbonio dello spessore di un atomo e le cui proprietà fisiche lo rendono particolarmente promettente per il futuro della tecnologia.
I ricercatori hanno scoperto che il Bismuturo di Sodio (Na3Bi) può esistere in una forma di materia quantistica come semimetallo tridimensionale topologico di Dirac (3DTDS - 3D Topologic Dirac Semi-metal). Si tratta della prima conferma sperimentale della presenza di fermioni di Dirac atre dimensioni all'interno di un materiale, un nuovo stato solo recentemente teorizzato.
Un materiale 3DTDS è una naturale controparte tridimensionale del grafene con proprietà simili o anche migliori. I fermioni di Dirac a tre dimensioni all'interno del materiale 3DTDS caratterizzano inoltre una magnetoresistenza lineare non saturante che può essere di ordini di grandezza superiore rispetto ai materiali oggi utilizzati negli hard disk, e traccia la strada alla realizzazione di sensori ottici più efficienti
ha spiegato Yulin Chen, fisco dell'University of Oxford che ha coordinato lo studio operando con Berkeley Lab Advanced Light Source, e autore della pubblicazione su Science "Discovery of a Three-dimensional Topological Dirac Semimetal, Na3Bi".
Due dei materiali oggi più interessanti nel panorama dell'alta tecnologia sono il grafene e gli isolanti topologici, questi ultimi materiali cristallini che si comportano come isolanti al loro interno ma come conduttori in superficie. Entrambi hanno fermioni di Dirac a due dimensioni che sono l'origine di proprietà fisiche particolarmente desiderate.
Gli isolanti topologici sono inoltre caratterizzati da una struttura elettronica unica, dove gli elettroni all'interno del materiale si comportano come quelli in un isolante, mentre quelli in superficie si comportano come gli elettroni nel grafene.
Il repentino sviluppo del grafene e degli isolanti topologici ha inoltre sollevato interrogativi se esistano controparti 3D e altri materiali con una topologia inusuale nella loro struttura elettronica. La nostra scoperta risponde ad entrambe le domande. Nel Bismuturo di Sodio che abbiamo studiato le bande di conduzione interna e di valenza si toccano solo su punti discreti e si disperdono linearmente lungo tutte e tre le direzioni del momento per formare fermioni di Dirac a tre dimensioni interni. La topologia di una struttura elettronica 3DTDS è unica come quella degli isolanti topologici
ha spiegato Chen.
Il Bismuturo di Sodio è troppo instabile per poter essere utilizzato senza un packaging adeguato, ma da il via all'esplorazione per lo sviluppo di altri materiali 3DTDS più adatti per i dispositivi di ogni giorno. Il Bismuturo di Sodio può comunque essere impiegato per la dimostrazione di potenziali applicazioni dei sistemi 3DTDS, che sono in grado di offrire qualche vantaggio in più rispetto al grafene.
Un sistema 3DTDS potrebbe mettere a disposizione un consistente miglioramento nell'efficienza rispetto al grafene in varie applicazioni per via del suo volume tridimensonale. La realizzazione di pellicole di grafene di grandi dimensioni continua a rappresentare una sfida: potrebbe essere più facile partendo da sistemi 3DTDS la realizzazione di dispositivi simili a quanto possibile con il grafene per un'ampia gamma di applicazioni
ha commentato Chen.
Un sistema 3DTDS socchiude inoltre la porta a una serie di nuove proprietà fisiche particolarmente utili per le future tecnologie elettroniche: elevato diamagnetismo che diverge quando l'energia si avvicina al punto di Dirac, magnetoresistenza quantistica nell'interno del materiale, uniche strutture Landau sotto forti campi magnetici ed effetti Hall di spin quantistico oscillante. I futuri sistemi 3DTDS possono inoltre rappresentare una piattaforma ideale per le applicazioni di spintronica, ovvero quella branca della scienza che si occupa di memorizzazione ed elaborazione dell'informazione.
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