Attraverso magici angoli di torsione e stati energetici unici, è possibile progettare su misura, materiali atomicamente sottili che potrebbero essere preziosi per l'elettronica futura. Ora, ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, e l'Università di Regensburg in Germania hanno fatto luce sulle dinamiche ultraveloci in questi nuovi materiali. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista Materiali della natura .

Immagina di costruire una cella solare ultrasottile e ad alta efficienza energetica. Hai un materiale che conduce corrente e un altro che assorbe la luce. È quindi necessario utilizzare entrambi i materiali per ottenere le proprietà desiderate, e il risultato potrebbe non essere sottile come speravi.

Ora immagina invece di avere strati atomicamente sottili di ciascun materiale, che metti uno sopra l'altro. Ruota uno strato verso l'altro di una certa quantità, e improvvisamente si forma una nuova connessione, con stati energetici speciali – noti come eccitoni intercalari – che esistono in entrambi gli strati. Ora hai il materiale desiderato a un livello atomicamente sottile.

Ermin Malic, ricercatore presso la Chalmers University of Technology, in collaborazione con colleghi di ricerca tedeschi intorno a Rupert Huber presso l'Università di Regensburg, è ora riuscito a mostrare quanto velocemente si formano questi stati e come possono essere sintonizzati attraverso angoli di torsione. Impilare e torcere materiali atomicamente sottili come i mattoncini Lego, in nuovi materiali noti come 'eterostrutture', è un'area di ricerca che è ancora agli inizi.

"Queste eterostrutture hanno un potenziale enorme, come possiamo progettare materiali su misura. La tecnologia potrebbe essere utilizzata nelle celle solari, elettronica flessibile, e forse anche nei computer quantistici in futuro, "dice Ermin Malic, Professore presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers.

Ermin Malic e i suoi studenti di dottorato Simon Ovesen e Samuel Brem hanno recentemente collaborato con i ricercatori dell'Università di Regensburg. Il gruppo svedese è stato responsabile della parte teorica del progetto, mentre i ricercatori tedeschi conducevano gli esperimenti. Per la prima volta, con l'aiuto di metodi unici, sono riusciti a svelare i segreti dietro la formazione ultraveloce e la dinamica degli eccitoni interstrato nei materiali eterostrutturali. Hanno usato due laser diversi per seguire la sequenza degli eventi. Torcendo materiali atomicamente sottili l'uno verso l'altro, hanno dimostrato che è possibile controllare la velocità con cui si verificano le dinamiche degli eccitoni.

"Questo campo di ricerca emergente è ugualmente affascinante e interessante per il mondo accademico come lo è per l'industria, " dice Ermin Malic. Dirige il Chalmers Graphene Centre, che raccoglie ricerche, educazione e innovazione intorno al grafene, altri materiali atomicamente sottili ed eterostrutture sotto un ombrello comune.

Questi tipi di materiali promettenti sono noti come materiali bidimensionali (2-D), poiché sono costituiti solo da uno strato atomicamente sottile. Per le loro notevoli proprietà, si ritiene che abbiano un grande potenziale in vari campi della tecnologia. Grafene, costituito da un unico strato di atomi di carbonio, è l'esempio più noto. Sta iniziando ad essere applicato nell'industria, ad esempio in rilevatori super veloci e altamente sensibili, dispositivi elettronici flessibili e materiali multifunzionali nel settore automobilistico, industria aerospaziale e dell'imballaggio.

Ma il grafene è solo uno dei tanti materiali 2-D che potrebbero essere di grande beneficio per la nostra società. Attualmente si discute molto sulle eterostrutture costituite da grafene combinato con altri materiali 2-D. In poco tempo, la ricerca sulle eterostrutture ha fatto grandi passi avanti, e il diario Natura ha recentemente pubblicato diversi articoli innovativi in ​​questo campo di ricerca.

A Chalmers, diversi gruppi di ricerca stanno lavorando in prima linea sul grafene. Il Graphene Center sta ora investendo in nuove infrastrutture per poter ampliare l'area di ricerca per includere anche altri materiali 2-D ed eterostrutture.

"Vogliamo creare un hub forte e dinamico per i materiali 2-D qui a Chalmers, in modo da poter costruire ponti con l'industria e garantire che le nostre conoscenze vadano a beneficio della società, "dice Ermin Malic.

La carta, pubblicato in Materiali della natura , è intitolato "Transizione ultraveloce tra fasi di eccitoni nelle eterostrutture di van der Waals".