Incidere sulle proprietà degli elettroni per dare vita a nuovi tipi di materiali e dispositivi. Ricercatori dell'Università di Stanford e dello SLAC National Accelerator Laboratory (parte del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti) hanno creato il primo sistema composto da cosiddetti "designer electron", cioè varianti esotiche degli elettroni ordinari, dotate di proprietà modificabili.
"Il comportamento degli elettroni nei materiali è il cuore di tutte le moderne tecnologie", ha dichiarato il professor Hari Manoharan. "Ora siamo in grado di regolare le proprietà fondamentali degli elettroni in modo che possano comportarsi in modi che raramente si vedono nei materiali ordinari". I primi esempi sono stati fatti realizzando strutture a nido d'ape ispirate al grafene, una forma pura di carbonio che sembrerebbe rappresentare la prossima frontiera dell'elettronica.
Versione del grafene molecolare, nella quale gli elettroni sono stati modificati per rispondere come se sperimentassero un campo magnetico molto elevato (aree rosse), quando invece non era presente
Inizialmente gli elettroni all'interno di questa struttura avevano proprietà simili a quelle del grafene, per esempio a differenza degli elettroni ordinari, non avevano massa e si muovevano come se fossero alla velocità della luce nel vuoto. I ricercatori sono stati in grado di modificare questi elettroni in modi che sono difficili da replicare nel grafene reale.
Per realizzare la struttura, che Manoharan ha definito "grafene molecolare", i ricercatori hanno usato un microscopio a effetto tunnel. Questo è stato utile per disporre le singole molecole di monossido di carbonio su una superficie in rame perfettamente liscia. Il monossido di carbonio repelle gli elettroni che si muovono liberamente sulla superficie in rame e li forza all'interno di un modello a nido d'ape, dove si comportano come gli elettroni del grafene.
Hari Manoharan
Per modificare le loro proprietà , i ricercatori hanno riposizionato queste molecole sulla superficie, influenzando la simmetria del flusso di elettroni. In alcune configurazioni gli elettroni agivano come se fossero esposti a un campo magnetico o elettrico. In altre, i ricercatori sono stati in grado d'intervenire precisamente sulla densità degli elettroni sulla superficie introducendo difetti o impurità .
Applicando complessi modelli che imitavano i cambiamenti nella distanza dei legami carbonio-carbonio e le forze nel grafene, i ricercatori sono stati in grado di ripristinare la massa degli elettroni in piccole aree selezionate. "Una delle più incredibili che abbiamo fatto è stata quella di far pensare agli elettroni di essere in un enorme campo magnetico quando, in realtà , non ne avevamo applicato uno", ha affermato Manoharan.
Il team di Stanford ha calcolato le posizioni in cui gli atomi di carbonio nel grafene dovrebbero riuscire a far credere ai propri elettroni di essere stati esposti a campi magnetici che vanno da zero a 60 Tesla, un valore oltre il 30% più forte del campo magnetico continuo mai raggiunto sulla Terra. I ricercatori hanno poi spostato molecole di monossido di carbonio per guidare gli elettroni nelle precise posizioni, e gli elettroni hanno risposto comportandosi esattamente come previsto, cioè come se fossero stati esposti a un vero campo.
"Il nostro nuovo approccio è un grande banco di prova per la fisica", ha dichiarato Manoharan. "Il grafene molecolare è solo la prima di una serie di strutture possibili. Pensiamo che la nostra ricerca ci porterà a identificare nuovi materiali in scala nanometrica con proprietà elettroniche utili".