Grafene e fermioni di Dirac M. Riccò Grafite cella unitaria C=C = 1.42 Å Produzione di grafeni Scissione micromeccanica della HOPG (A.Geim & K. Novoselov, Manchester University 2004) Stabilità meccanica Teorema di Mermin-Wagner → Nessun ordine a lungo range in 2D Dinamica → in 2D il nr. di fononi a grossa lungh. d’onda diverge Criterio di Lindemann <u> ~ 0.1d fusione Termini anarmonici di accoppiamento tra modi di bending e stretchnig sopprimono queste fluttuazioni distruttive. Il grafene presenta “ripples” Grafite: Proprietà elettroniche Nel piano Pz fuori dal piano Pz = 1 2 6a 5 re − r 2a 3 cosθ 8π Grafite: Proprietà elettroniche Grafene Reticolo reciproco (I zona di B.) Tight Binding (LCAO) Condizione di Bloch Grafene: Proprietà elettroniche Tight Binding (Wallace 1946) Grafene: Proprietà elettroniche ponendo + fuori, - dentro la zona di B. esagonale Vettore che congiunge primi vicini A Grafene: Proprietà elettroniche Hamiltoniana di un atomo di C isolato Potenziale periodico del reticolo Potenziale di un atomo di C Reticoli contigui Grafene: Proprietà elettroniche Multigrafene (2 strati) A-A A-B Grafene: Trasporto 0<n<1013cm-2 sia e che h Mobilità: 15000 cm2V-1s-1 (indip. da T e da n) Fermioni di Dirac Meccanica quantistica relativistica → Eq. di Dirac 1- A particelle di spin ½ sono associate antiparticelle 2- Simmetria di coniugazione di carica (stesso spinore per e- e e+) 3- Lo spettro di energia di particelle con massa ha una gap 2E0= 2mc2 4- Quando E>>E0 E=c(h/2π) k 5- Quando m=0 E~k per ogni energia. L’elicità (chiralità) è definita Spettro di energia conico E=(h/2π) k vF Fermioni di Dirac Nella materia elettroni e buche si comportano in genere diversamente Nel grafene mostrano una perfetta simmetria rispettando la regola della simmetria di coniugazione di carica La funzione d’onda di spinore in QED è rimpiazzata dallo pseudospin σ che identifica il sottoreticolo (A o B) → chiralità Effetto Hall Semiconduttori Effetto Hall Quantistico eB ωc = ∗ m 1 E = Ei + ( N + ) ωc 2 eB 2 ν= L h Nr. di stati per ogni livello di Landau Effetto Hall Quantistico eB 2 ν= L h Nr. di stati per ogni l.d.L. Effetto Hall Quantistico con elettr. di Dirac Fermioni di Dirac → 1 1 Eνσ = ± 2eBv (ν + ± ) 2 2 2 F Effetto Hall Quantistico Anomalo Fermioni di Dirac → 1 1 Eνσ = ± 2eBv (ν + ± ) 2 2 K. S. Novoselov et al. Nature 438 (2005) 197 2 F (QED) Singolo layer vs. bilayer L’origine dei plateau quantistici frazionari è nell’esistenza di uno stato ad E=0 Singolo Bilayer Eν ∼ ν (ν − 1) Effetto dei ripples? Teorema di Atiyah-Singer (T. delle superstringhe)→ I ripple (inomogeneità di B fino a 1T) NON inibiscono l’EHQ anomalo Essendo gli stati ad E=0 chirali, sono stabili per campi di gauge e curvature dello spazio Quantum Tunneling Nei semiconduttori la probabilità di tunnel con l’altezza e la larghezza della barriera (quando ΔE<e-h). Tunnel risonante: quando E(e)=E(h) nella barriera Nel grafene T=1 Paradosso di Klein (QED) Una barriera alta 2mec2 permette la trasmissione dell’el. Attraverso la formazione di una coppia e-p. Riformulazione del principio di Heisemberg in QED