Un team di ricerca del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha trovato la prima prova che un movimento di scuotimento nella struttura di un materiale atomicamente sottile (2-D) possiede una rotazione circolare naturale.

Questa rotazione potrebbe diventare l'elemento costitutivo di una nuova forma di tecnologia dell'informazione, e per la progettazione di rotori su scala molecolare per azionare motori e macchine microscopici.

Il materiale monostrato, diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ), è già noto per la sua insolita capacità di sostenere proprietà elettroniche speciali che sono molto più fugaci in altri materiali.

È considerato un candidato promettente per una forma ricercata di archiviazione dati nota come Valleytronics, Per esempio, in cui la quantità di moto e il movimento ondulatorio degli elettroni in un materiale possono essere ordinati in "valli" opposte nella struttura elettronica di un materiale, con ciascuna di queste valli che rappresentano gli uno e gli zeri nei dati binari convenzionali.

L'elettronica moderna si basa tipicamente sulla manipolazione della carica degli elettroni per trasportare e memorizzare informazioni, sebbene poiché l'elettronica è sempre più miniaturizzata, è più soggetta a problemi associati all'accumulo di calore e alle perdite elettriche.

L'ultimo studio, pubblicato online questa settimana sulla rivista Scienza , fornisce un possibile percorso per superare questi problemi. Riferisce che alcuni dei fononi del materiale, un termine che descrive le vibrazioni collettive nei cristalli atomici, ruotano naturalmente in una certa direzione.

Questa proprietà è nota come chiralità, simile alla manualità di una persona in cui la mano sinistra e destra sono un'immagine speculare l'una dell'altra ma non identiche. Il controllo della direzione di questa rotazione fornirebbe un meccanismo stabile per trasportare e memorizzare le informazioni.

"I fononi nei solidi sono generalmente considerati come il movimento lineare collettivo degli atomi, " disse Xiang Zhang, l'autore corrispondente dello studio e scienziato senior della Divisione di scienza dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e professore alla UC Berkeley. "Il nostro esperimento ha scoperto un nuovo tipo di cosiddetti fononi chirali in cui gli atomi si muovono in cerchio in un cristallo monostrato atomico di diseleniuro di tungsteno".

Hanyu Zhu, l'autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato presso il gruppo di Zhang, disse, "Uno dei maggiori vantaggi del fonone chirale è che la rotazione è bloccata dalla quantità di moto della particella e non è facilmente disturbata".

Nel modo fononico studiato, gli atomi di selenio sembrano ruotare collettivamente in senso orario, mentre gli atomi di tungsteno non mostravano movimento. I ricercatori hanno preparato un "sandwich" con quattro fogli di campioni di WSe2 monostrato di dimensioni centimetriche posti tra sottili cristalli di zaffiro. Hanno sincronizzato i laser ultraveloci per registrare i movimenti dipendenti dal tempo.

Le due sorgenti laser convergono in un punto dei campioni di appena 70 milionesimi di metro di diametro. Uno dei laser è stato commutato con precisione tra due diverse modalità di sintonizzazione per rilevare la differenza dell'attività del fonone chirale sinistro e destro.

Un cosiddetto laser a pompa ha prodotto visibile, impulsi di luce rossa che hanno eccitato i campioni, e una sonda laser ha prodotto impulsi nel medio infrarosso che hanno seguito il primo impulso di pompa entro un trilionesimo di secondo. Circa un fotone nel medio infrarosso ogni 100 milioni viene assorbito da WSe2 e convertito in un fonone chirale.

I ricercatori hanno quindi catturato la luminescenza ad alta energia dal campione, una firma di questo raro evento di assorbimento. Attraverso questa tecnica, nota come spettroscopia infrarossa transitoria, i ricercatori non solo hanno confermato l'esistenza di un fonone chirale, ma hanno anche ottenuto con precisione la sua frequenza di rotazione.

Finora, il processo produce solo un piccolo numero di fononi chirali. Un prossimo passo nella ricerca sarà quello di generare un numero maggiore di fononi rotanti, e per sapere se vigorose agitazioni nel cristallo possono essere usate per capovolgere lo spin degli elettroni o per alterare significativamente le proprietà di valle del materiale. Lo spin è una proprietà intrinseca di un elettrone che può essere pensato come il suo ago della bussola:se potesse essere capovolto per puntare a nord oa sud, potrebbe essere utilizzato per trasmettere informazioni in una nuova forma di elettronica chiamata spintronica.

"Il potenziale controllo basato sui fononi di elettroni e spin per applicazioni di dispositivi è molto eccitante e alla portata, " Zhu ha detto. "Abbiamo già dimostrato che i fononi sono in grado di commutare la valle elettronica. Inoltre, questo lavoro consente la possibilità di utilizzare gli atomi rotanti come piccoli magneti per guidare l'orientamento dello spin".

Le proprietà chirali trovate nello studio probabilmente esistono in un'ampia gamma di materiali 2-D basati su un modello simile nella loro struttura atomica, Zhu ha anche notato, aggiungendo che lo studio potrebbe guidare le indagini teoriche sulle interazioni elettrone-fonone e la progettazione di materiali per migliorare gli effetti basati sui fononi.

"Lo stesso principio funziona in tutte le strutture periodiche 2-D con simmetria tripla e asimmetria di inversione", ha detto Zhu. "Lo stesso principio copre una vasta famiglia di materiali naturali, e ci sono possibilità quasi infinite per creare rotori su scala molecolare".