In un esempio dell'adagio "tutto ciò che è vecchio è di nuovo nuovo", gli ingegneri del MIT riportano una nuova scoperta nei semiconduttori, materiali noti che sono stati al centro di intensi studi per oltre 100 anni grazie alle loro numerose applicazioni nei dispositivi elettronici.

Il team ha scoperto che questi importanti materiali non solo diventano molto più rigidi in risposta alla luce, ma l'effetto è reversibile quando la luce viene spenta. Gli ingegneri spiegano anche cosa sta succedendo su scala atomica e mostrano come l'effetto può essere regolato creando i materiali in un certo modo, introducendo difetti specifici, e utilizzando diversi colori e intensità di luce.

"Siamo entusiasti di questi risultati perché abbiamo scoperto una nuova direzione scientifica in un campo altrimenti molto frequentato. Inoltre, abbiamo scoperto che il fenomeno potrebbe essere presente in molti altri composti", afferma Rafael Jaramillo, Thomas Lord Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali al MIT e leader del team.

Dice Ju Li, un altro professore del MIT coinvolto nel lavoro, "vedere difetti che hanno effetti così grandi sulla risposta elastica è molto sorprendente, il che apre le porte a una varietà di applicazioni. Il calcolo potrebbe aiutarci a schermare molti altri materiali di questo tipo". Li è il Professore di Battelle Energy Alliance in Scienze e ingegneria nucleare (NSE) con un incarico congiunto nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE). Sia Jaramillo che Li sono anche affiliati al Materials Research Laboratory.

Il lavoro è riportato nel numero del 3 agosto di Physical Review Letters . Il documento risultante è stato evidenziato come un suggerimento della redazione. È anche il fulcro di una sinossi di accompagnamento per Rivista di fisica intitolato "Semiconduttori sotto i riflettori", di Sophia Chen.

Altri autori dell'articolo sono Jiahao Dong e Yifei Li, studenti laureati del DMSE che hanno contribuito in egual modo al lavoro; Yuying Zhou, uno studente laureato DMSE in visita presso l'Istituto di Fisica Applicata di Shanghai; Alan Schwartzman, un ricercatore DMSE; Haowei Xu, uno studente laureato in NSE; e Bilal Azhar, uno studente DMSE laureato nel 2020.

Problema intrigante

Jaramillo ricorda di essere stato incuriosito da un articolo del 2018 su Scienza mostrando come un semiconduttore fatto di solfuro di zinco diventa più fragile se esposto alla luce. "Quando [i ricercatori] l'hanno illuminato, si è comportato come un cracker. Si è spezzato. Quando hanno spento la luce, si è comportato più come un orsetto gommoso, dove poteva essere schiacciato senza rompersi in pezzi".

Come mai? Jaramillo e colleghi hanno deciso di scoprirlo.

Lungo la strada, il team non solo ha riprodotto il lavoro su Science, ma ha anche mostrato che i semiconduttori cambiavano la loro elasticità, una forma di rigidità meccanica, se esposti alla luce.

"Pensa a una palla rimbalzante", dice Jaramillo. "Il motivo per cui rimbalza è perché è elastico. Quando lo lanci a terra, si deforma ma poi scatta immediatamente indietro (ecco perché rimbalza). Quello che abbiamo scoperto, che è stato davvero sorprendente, è che le proprietà elastiche [dei semiconduttori ] può subire enormi cambiamenti sotto l'illuminazione e che questi cambiamenti sono reversibili quando la luce è spenta."

Cosa sta succedendo

Nel lavoro in corso, il team ha condotto una serie di esperimenti con solfuro di zinco e altri due semiconduttori in cui hanno misurato la rigidità dei materiali in condizioni diverse, come l'intensità della luce, utilizzando una tecnica sensibile chiamata nanoindentazione. In questa tecnica, una punta di diamante spostata sulla superficie del materiale registra quanta forza è necessaria per spingere il perno nei 100 nanometri più alti, o miliardesimi di metro, della superficie.

Hanno anche eseguito simulazioni al computer di ciò che potrebbe accadere su scala atomica, sviluppando lentamente una teoria per ciò che stava accadendo. Hanno scoperto che i difetti, o atomi mancanti, nei materiali giocavano un ruolo significativo nella risposta meccanica dei materiali alla luce.

"Questi posti liberi fanno ammorbidire il reticolo cristallino del materiale perché alcuni atomi sono più distanti. Pensa alle persone su un vagone della metropolitana. È più facile infilare più persone se ci sono spazi più grandi tra di loro", afferma Jaramillo.

"Sotto l'illuminazione, gli atomi presenti sono eccitati e diventano più repellenti. È come se quelle persone sul vagone della metropolitana iniziassero improvvisamente a ballare e ad agitare le braccia", ha continuato. Il risultato:gli atomi resistono più fortemente all'essere impacchettati più strettamente e il materiale diventa meccanicamente più rigido.

Il team ha scoperto rapidamente di poter regolare quella rigidità modificando l'intensità e il colore della luce e progettando difetti specifici nei materiali. "È bello quando puoi ridurre qualcosa all'ingegneria dei difetti, perché così puoi collegarti a una delle competenze principali degli scienziati dei materiali, che è il controllo dei difetti", ha detto Jaramillo. "Questo è più o meno quello che facciamo per vivere." + Esplora ulteriormente

Grandi progressi nella creazione di una nuova famiglia di materiali semiconduttori

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.