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    I fisici creano un liquido elettronico esotico

    Nei dispositivi elettronici convenzionali, l'elettricità richiede il movimento degli elettroni (sfere blu) e delle loro controparti positive, chiamati buchi (sfere rosse), che si comportano in modo molto simile alle molecole di gas nella nostra atmosfera. Sebbene si muovano rapidamente e si scontrino di rado in fase gassosa, elettroni e lacune possono condensarsi in goccioline liquide simili all'acqua liquida in dispositivi composti da materiali ultrasottili. Credito:QMO Lab, UC Riverside.

    Bombardando un sandwich semiconduttore ultrasottile con potenti impulsi laser, fisici dell'Università della California, lungo il fiume, hanno creato il primo "liquido elettronico" a temperatura ambiente.

    Il risultato apre un percorso per lo sviluppo dei primi dispositivi pratici ed efficienti per generare e rilevare la luce a lunghezze d'onda terahertz, tra luce infrarossa e microonde. Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati in applicazioni diverse come le comunicazioni nello spazio, rilevamento del cancro, e la scansione di armi nascoste.

    La ricerca potrebbe anche consentire l'esplorazione della fisica di base della materia su scale infinitesimali e contribuire a inaugurare un'era di metamateriali quantistici, le cui strutture sono progettate a dimensioni atomiche.

    I fisici dell'UCR hanno pubblicato i loro risultati online il 4 febbraio sulla rivista Fotonica della natura . Erano guidati dal Professore Associato di Fisica Nathaniel Gabor, che dirige l'UCR Quantum Materials Optoelectronics Lab. Altri coautori erano i membri del laboratorio Trevor Arp e Dennis Pleskot, e Professore Associato di Fisica e Astronomia Vivek Aji.

    Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno costruito un sandwich ultrasottile del ditelluride di molibdeno semiconduttore tra strati di grafene di carbonio. La struttura a strati era solo leggermente più spessa della larghezza di una singola molecola di DNA. Hanno quindi bombardato il materiale con impulsi laser superveloci, misurata in quadrilionesimi di secondo.

    Incorporando tecniche di imaging avanzate con strategie ad alta intensità di dati sviluppate dagli studenti della UC Riverside che lavorano con il Jet Propulsion Laboratory della NASA, è stato sviluppato un nuovo tipo di microscopio che ha permesso la prima osservazione di un liquido elettronico a temperatura ambiente. Credito:QMO Lab, UC Riverside.

    "Normalmente, con semiconduttori come il silicio, l'eccitazione laser crea elettroni e i loro fori caricati positivamente che si diffondono e si spostano nel materiale, che è come si definisce un gas, " disse Gabor. Tuttavia, nei loro esperimenti, i ricercatori hanno rilevato prove di condensazione nell'equivalente di un liquido. Un tale liquido avrebbe proprietà simili a liquidi comuni come l'acqua, tranne che consisterebbe, non di molecole, ma di elettroni e lacune all'interno del semiconduttore.

    "Stavamo aumentando la quantità di energia scaricata nel sistema, e non abbiamo visto niente, niente, niente, poi improvvisamente abbiamo visto la formazione di quello che abbiamo chiamato un "anello fotocorrente anomalo" nel materiale, " ha detto Gabor. "Ci siamo resi conto che era un liquido perché è cresciuto come una gocciolina, piuttosto che comportarsi come un gas."

    "Ciò che ci ha davvero sorpreso, anche se, è che è successo a temperatura ambiente, " ha detto. "In precedenza, i ricercatori che avevano creato tali liquidi con lacuna elettronica erano stati in grado di farlo solo a temperature più fredde che nello spazio profondo".

    Le proprietà elettroniche di tali goccioline consentirebbero lo sviluppo di dispositivi optoelettronici che operano con un'efficienza senza precedenti nella regione dei terahertz dello spettro, ha detto Gabor. Le lunghezze d'onda terahertz sono più lunghe delle onde infrarosse ma più corte delle microonde, ed è esistita una "gap terahertz" nella tecnologia per l'utilizzo di tali onde. Le onde terahertz potrebbero essere utilizzate per rilevare i tumori della pelle e le carie dentali a causa della loro penetrazione limitata e della capacità di risolvere le differenze di densità. Allo stesso modo, le onde potrebbero essere utilizzate per rilevare difetti in prodotti come compresse di farmaci e per scoprire armi nascoste sotto i vestiti.

    Trasmettitori e ricevitori Terahertz potrebbero essere utilizzati anche per sistemi di comunicazione più veloci nello spazio. E, il liquido lacuna elettronica potrebbe essere la base per i computer quantistici, che offrono il potenziale per essere molto più piccoli dei circuiti a base di silicio attualmente in uso, ha detto Gabor.

    Più generalmente, Gabor ha detto, la tecnologia utilizzata nel suo laboratorio potrebbe essere la base per l'ingegneria "metamateriali quantistici, " con dimensioni su scala atomica che consentono una manipolazione precisa degli elettroni per farli comportare in modi nuovi.

    In ulteriori studi sulle "nanopozzanghere" della lacuna elettronica, " gli scienziati esploreranno le loro proprietà liquide come la tensione superficiale.

    "Proprio adesso, non abbiamo idea di quanto sia liquido questo liquido, e sarebbe importante scoprirlo, " ha detto Gabor.

    Gabor prevede inoltre di utilizzare la tecnologia per esplorare i fenomeni fisici di base. Per esempio, il raffreddamento del liquido con lacuna elettronica a temperature ultra basse potrebbe trasformarlo in un "fluido quantico" con proprietà fisiche esotiche che potrebbero rivelare nuovi principi fondamentali della materia.

    Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato due tecnologie chiave. Per costruire i sandwich ultrasottili di ditelluride di molibdeno e grafene di carbonio, hanno usato una tecnica chiamata "stampaggio elastico". In questo metodo, un film polimerico appiccicoso viene utilizzato per raccogliere e impilare strati spessi atomici di grafene e semiconduttore.

    E sia per pompare energia nel sandwich semiconduttore che per immaginare gli effetti, hanno usato la "microscopia a fotorisposta dinamica multiparametrica" ​​sviluppata da Gabor e Arp. In questa tecnica, fasci di impulsi laser ultraveloci vengono manipolati per scansionare un campione per mappare otticamente la corrente generata.

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