Un nuovo approccio per controllare le forze e le interazioni tra atomi e molecole, come quelli impiegati dai gechi per arrampicarsi su superfici verticali, potrebbe portare progressi in nuovi materiali per lo sviluppo di sorgenti di luce quantistica.

"Atomi e molecole ravvicinati nel nostro ambiente interagiscono costantemente, si attraggono e si respingono a vicenda, " disse Zubin Jacob, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University. "Tali interazioni alla fine consentono una miriade di fenomeni, come i cuscinetti appiccicosi sui piedi di geco, così come la fotosintesi."

Tipicamente, queste interazioni si verificano quando atomi e molecole si trovano a una distanza compresa tra 1 e 10 nanometri, o circa 1/10, 000esimo della larghezza di un capello umano.

"Queste includono le forze di Van der Waals che si verificano tra atomi e molecole solo quando sono molto vicini tra loro. Il fatto che richiedano sempre distanze di separazione estremamente brevi le rende difficili da controllare. Ciò rappresenta un grosso ostacolo per sfruttarle per applicazioni pratiche, " Egli ha detto.

Per brevi periodi di tempo si dice che gli atomi possiedono "dipoli fluttuanti" perché le loro cariche positive e negative sono momentaneamente separate. I dipoli di numerosi atomi e molecole a volte interagiscono tra loro, e queste interazioni dipolo-dipolo sono la base per Van der Waals e altre forze tra gli atomi e le molecole ravvicinati.

I ricercatori hanno dimostrato che queste interazioni dipolo-dipolo sono fondamentalmente alterate all'interno dei cosiddetti materiali bidimensionali, come nitruro di boro esagonale e fosforo nero, materiali con uno spessore costituito da pochi strati atomici. Hanno anche dimostrato che è possibile ottenere le interazioni dipolo-dipolo anche quando gli atomi e le molecole sono relativamente distanti, con una separazione che si avvicina al micron, o 100 volte più distanti di quanto normalmente richiesto. Questa maggiore distanza rappresenta il potenziale per l'applicazione pratica del fenomeno per le sorgenti ottiche.

I risultati sono dettagliati in un articolo pubblicato all'inizio di quest'anno sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Il documento è stato scritto dal dottorando Cristian L. Cortes e Jacob.

"Il nostro obiettivo principale era cercare di capire se fosse possibile controllare e manipolare questo tipo di interazioni, " ha detto Cortes. "Quello che abbiamo scoperto è che, progettando attentamente le proprietà dei materiali, è possibile alterare significativamente la forza e la portata spaziale di queste interazioni. Abbiamo scoperto che i cosiddetti materiali iperbolici in realtà consentono interazioni a lungo raggio a differenza di qualsiasi altro materiale convenzionale".

Le interazioni dipolo-dipolo fanno sì che molti atomi e molecole fluorescenti emettano luce in modo sincronizzato. ordinariamente, le molecole fluorescenti emettono luce in lampi casuali e spontanei. Però, i materiali potrebbero essere progettati per mediare le interazioni in modo che l'emissione diventi sincronizzata, lampeggiante all'unisono, e aumentando drasticamente l'emissione di luce in un fenomeno chiamato super-radianza.

I materiali bidimensionali iperbolici sono progettati per indurre questa super-radianza tra emettitori quantici fluorescenti posti molto distanti tra loro.

"Quando interagiscono attraverso questi materiali possono rimanere bloccati l'uno con l'altro come due pendoli perfettamente sincronizzati, " disse Giacobbe.

Si dice che i materiali siano "fortemente interagenti" a causa dell'effetto dipolo-dipolo a lungo raggio.

Le interazioni "a lungo raggio" potrebbero rendere possibili nuovi tipi di sorgenti luminose che sfruttano la super radianza. Un altro obiettivo impegnativo è costruire simulatori quantistici utilizzando una rete di emettitori interagenti per imitare "interazioni di Coulomb" o "interazioni di spin" tra gli elettroni in un materiale.

sebbene il Comunicazioni sulla natura il documento si concentra sulla teoria, i ricercatori hanno anche suggerito diversi metodi sperimentali per convalidare la teoria. Stanno eseguendo un esperimento utilizzando materiali iperbolici 2-D al Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue.