Le eterostrutture semiconduttive sono fondamentali per lo sviluppo dell'elettronica e dell'optoelettronica. Molte applicazioni nella gamma di frequenze a infrarossi e terahertz sfruttano le transizioni, chiamate transizioni intersottobanda, tra stati quantizzati nei pozzi quantistici di semiconduttori. Queste transizioni intrabanda mostrano forze oscillatori molto grandi, vicino all'unità. La loro scoperta nelle eterostrutture a semiconduttore III-V ha mostrato un enorme impatto all'interno della comunità della fisica della materia condensata e ha innescato lo sviluppo di fotorivelatori quantistici a infrarossi e laser quantistici a cascata.

I pozzi quantistici di altissima qualità sono tipicamente fabbricati mediante epitassia a fascio molecolare (crescita sequenziale di strati cristallini), che è una tecnica consolidata. Però, pone due limitazioni principali:è richiesta la corrispondenza del reticolo, limitare la libertà dei materiali tra cui scegliere, e la crescita termica provoca diffusione atomica e aumenta la rugosità dell'interfaccia.

I materiali 2-D possono superare queste limitazioni poiché formano naturalmente un pozzo quantico con interfacce atomicamente nitide. Forniscono interfacce prive di difetti e atomicamente nitide, consentendo la formazione di QW ideali, privo di disomogeneità diffusive. Non richiedono crescita epitassiale su un substrato corrispondente e possono quindi essere facilmente isolati e accoppiati ad altri sistemi elettronici come Si CMOS o sistemi ottici come cavità e guide d'onda.

Abbastanza sorprendentemente, le transizioni intersottobanda in materiali 2-D a pochi strati non erano mai state studiate prima, né sperimentalmente né teoricamente. Così, in un recente studio pubblicato su Nanotecnologia della natura , I ricercatori dell'ICFO Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, guidato da ICREA Prof presso ICFO Frank Koppens, in collaborazione con l'Institut Lumière Matière-CNRS, Università tecnica della Danimarca, Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, CIC nanoGUNE, e l'Istituto Nazionale del Grafene, relazione sui primi calcoli teorici e prima osservazione sperimentale delle transizioni inter-sottobanda in pozzi quantistici di materiali 2-D semiconduttori a pochi strati (TMD).

Nel loro esperimento, il team di ricercatori ha applicato la microscopia ottica a scansione di campo vicino (s-SNOM) a scansione di dispersione come approccio innovativo per le misurazioni dell'assorbimento spettrale con una risoluzione spaziale inferiore a 20 nm. Hanno esfoliato i TMD, che comprendeva terrazze di diversi spessori di strato su dimensioni laterali di circa pochi micrometri. Hanno osservato direttamente le risonanze intersottobanda per questi diversi spessori dei pozzi quantistici all'interno di un singolo dispositivo. Hanno anche regolato elettrostaticamente la densità dei portatori di carica e hanno dimostrato l'assorbimento intersottobanda sia nella banda di valenza che in quella di conduzione. Queste osservazioni sono state integrate e supportate da calcoli teorici dettagliati che hanno rivelato effetti a molti corpi e non locali.

I risultati di questo studio aprono la strada verso un campo inesplorato in questa nuova classe di materiali e offrono un primo assaggio della fisica e della tecnologia resa possibile dalle transizioni intersottobanda nei materiali 2-D, come rilevatori a infrarossi, fonti, e laser con il potenziale per l'integrazione compatta con Si CMOS.