Più veloce, sistemi di memorizzazione dei dati e di logica del computer più efficienti potrebbero essere all'orizzonte grazie a un nuovo modo di sintonizzare i livelli di energia elettronica in film bidimensionali di cristallo, scoperto dai ricercatori del MIT.

La scoperta potrebbe in definitiva aprire la strada allo sviluppo dei cosiddetti dispositivi "valleytronici", che sfruttano il modo in cui gli elettroni si raccolgono attorno a due stati energetici uguali, conosciuti come valli.

Gli ingegneri hanno da tempo avvertito che stiamo raggiungendo i limiti di quanto piccolo possiamo costruire transistor elettronici convenzionali, che si basano sulla carica elettrica degli elettroni.

Di conseguenza, ricercatori hanno studiato l'utilità di una proprietà degli elettroni nota come spin, memorizzare e manipolare dati; tali tecnologie sono note come spintronica.

Ma oltre alla loro carica e rotazione, gli elettroni nei materiali hanno anche un altro "grado di libertà, " noto come indice di valle. Questo è così chiamato perché tracciando l'energia degli elettroni rispetto al loro momento si ottiene un grafico costituito da una curva con due valli, che sono popolati da elettroni mentre si muovono attraverso un materiale.

Sfruttare questo grado di libertà potrebbe consentire l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni in alcuni materiali, popolando selettivamente le due valli con elettroni.

Però, lo sviluppo di tali dispositivi valleytronic richiede un sistema per controllare selettivamente gli elettroni all'interno delle due valli, che finora si è rivelato molto difficile da raggiungere.

Ora, in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Scienza , ricercatori guidati da Nuh Gedik, professore associato di fisica al MIT, descrivere un nuovo modo di utilizzare la luce laser per controllare gli elettroni in entrambe le valli in modo indipendente, all'interno di cristalli atomicamente sottili di disolfuro di tungsteno.

"Le due valli sono esattamente allo stesso livello energetico, che non è necessariamente la cosa migliore per le applicazioni perché vuoi essere in grado di regolarle, per cambiare leggermente l'energia in modo che gli elettroni si spostino [dal più alto] allo stato di energia più basso, " dice Gedik.

Sebbene ciò possa essere ottenuto applicando un campo magnetico, anche magneti da laboratorio molto potenti con una forza di 10 tesla sono in grado di spostare il livello di energia della valle solo di circa 2 millielettronvolt (meV).

I ricercatori hanno precedentemente dimostrato che dirigendo un impulso laser ultraveloce, sintonizzato su una frequenza leggermente inferiore alla risonanza del materiale, sono stati in grado di spostare l'energia di una delle valli attraverso un effetto chiamato "effetto Stark ottico, " lasciando praticamente invariata l'altra valle. In questo modo sono stati in grado di ottenere uno spostamento del livello energetico fino a 20 meV.

"La luce e gli elettroni all'interno del materiale formano un tipo di stato ibrido, che aiuta a spingere i livelli di energia intorno, " dice Gedik.

Nell'ultimo esperimento, i ricercatori hanno scoperto che sintonizzando la frequenza laser ancora più al di sotto della risonanza, e aumentandone l'intensità, sono stati in grado di spostare simultaneamente i livelli di energia di entrambe le valli e rivelare un fenomeno fisico molto raro.

Mentre una valle si sposta ancora a causa dello spostamento ottico Stark come prima, l'altra valle si sposta con un meccanismo diverso, noto come "spostamento di Bloch-Siegert, " secondo lo studente di dottorato di fisica del MIT Edbert Jarvis Sie, l'autore principale del documento.

Sebbene lo spostamento di Bloch-Siegert fosse stato previsto per la prima volta nel 1940, e poco dopo contribuì a ispirare Willis Lamb alla sua scoperta, vincitrice del premio Nobel 1955, del cambiamento di Lamb negli atomi di idrogeno, è rimasta una sfida considerevole osservarlo sperimentalmente nei solidi.

Infatti, a parte i cosiddetti atomi artificiali, il nuovo meccanismo non è mai stato osservato nei solidi fino ad ora, perché i turni risultanti erano troppo piccoli, Si dice. L'esperimento eseguito presso il Gedik Lab ha prodotto uno spostamento di Bloch-Siegert di 10 meV, che è 1, 000 volte più grande di quello visto in precedenza.

Cosa c'è di più, i due effetti, lo spostamento di Bloch-Siegert e lo spostamento ottico di Stark, tendevano in precedenza a verificarsi nella stessa transizione ottica, il che significa che i ricercatori hanno avuto difficoltà a districare i due meccanismi, Si dice.

"Nel nostro lavoro possiamo districare i due meccanismi in modo molto naturale, perché mentre una valle mostra lo spostamento ottico Stark, l'altra valle presenta lo spostamento Bloch-Siegert, " Sie dice. "Questo può funzionare così bene in questo materiale perché i due meccanismi hanno un rapporto simile con le due valli. Sono collegati da quella che viene chiamata simmetria di inversione del tempo".

Ciò dovrebbe consentire un maggiore controllo sulle proprietà valleytronic nei materiali bidimensionali, dice Nuh. "Potrebbe darti più libertà nell'accordare le valli elettroniche, " lui dice.