Fare luce con i materiali bidimensionali: il laser a grafene

Probabilmente a molti sarà capitato di sentire il termine “grafene”, di sicuro accoppiato alla descrizione delle sue mirabolanti proprietà elettriche, termiche e meccaniche. Ma, oltre ad essere un materiale “alla moda”, cos’è esattamente il grafene?

Assieme a fullereni e nanotubi rappresenta una delle forme “esotiche” che può assumere il carbonio, oltre alle più note grafite e diamante, ed è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Proprio grazie alla sua struttura bidimensionale (un foglio di grafene è spesso un solo atomo) possiede proprietà eccezionali: è più resistente dell’acciaio, flessibile come la plastica, più leggero dell’alluminio e conduce calore ed elettricità meglio del rame. Tutte queste qualità, racchiuse in un unico materiale, hanno logicamente suscitato un enorme interesse dal punto di vista scientifico e tecnologico, tanto da portare, nel 2013 al lancio di uno dei maggiori programmi di ricerca in Europa, Graphene Flagship, con un finanziamento di 1 miliardo di euro per 10 anni e lo scopo di portare il grafene dal laboratorio alla nostra vita quotidiana.

Rappresentazione di tre fogli di grafene sovrapposti

Nell’ambito di questo progetto, un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza, in collaborazione con la Cambridge University, il Politecnico di Milano e il CNR ha utilizzato la spettroscopia Raman per studiare gli effetti di impulsi laser ultrabrevi della durata di 3 picosecondi (cioè 3 millesimi di miliardesimo di secondo, il tempo necessario dalla luce per percorrere approssimativamente un millimetro nel vuoto) sui processi di interazione tra le cariche elettriche e le vibrazioni dei nuclei, osservati per la prima volta dal punto di vista del reticolo atomico.

Scopo della ricerca è capire come la distribuzione dei portatori di carica (elettroni) in un singolo strato di grafene risponda a perturbazioni di così breve durata, e come ciò influisca sulle proprietà termiche, elettriche e magnetiche del materiale stesso, aprendo la strada alla loro manipolazione. Tullio Scopigno, coordinatore dalla ricerca, afferma che “l’utilizzo di un impulso di luce ultrabreve ha lo scopo di indurre un regime di fuori equilibrio termodinamico. Infatti, dopo l’applicazione di un campo elettromagnetico ultrabreve, la temperatura degli elettroni risulta molto più elevata di quella dei nuclei. Questo determina importanti modifiche nelle modalità attraverso le quali le vibrazioni reticolari interagiscono con i portatori di carica”.

Lo studio ha importanti implicazioni per il campo emergente della fotonica dei materiali bidimensionali, ovvero per dispositivi quali celle solari, LED, touchscreen, photodetectors e laser impulsati. Per quest’ultima applicazione, in particolare, è in corso di registrazione un brevetto per la realizzazione di un innovativo sistema di microscopia in campo biomedico.