Gli elettroni che scorrono attraverso il confine tra due materiali sono il fondamento di molte tecnologie chiave, dalle memorie flash alle batterie e alle celle solari. Ora i ricercatori hanno osservato e registrato direttamente questi piccoli movimenti transfrontalieri per la prima volta, osservando gli elettroni che correvano per sette decimi di nanometro - circa la larghezza di sette atomi di idrogeno - in 100 milionesimi di miliardesimo di secondo.

Guidato da scienziati del Dipartimento dell'Energia del SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University, il team ha effettuato queste osservazioni misurando minuscole esplosioni di onde elettromagnetiche emesse dagli elettroni in viaggio, un fenomeno descritto più di un secolo fa dalle equazioni di Maxwell, ma solo ora applicato a questa importante misura.

"Per fare qualcosa di utile, generalmente è necessario mettere insieme diversi materiali e trasferire carica o calore o luce tra di loro, " ha detto Eric Yue Ma, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio del professor Tony Heinz dello SLAC/Stanford e autore principale di un rapporto in Progressi scientifici .

"Questo apre un nuovo modo per misurare la carica - in questo caso, elettroni e lacune - viaggia attraverso l'interfaccia brusca tra due materiali, " ha detto. "Non si applica solo ai materiali stratificati. Ad esempio, può anche essere usato per osservare gli elettroni che scorrono tra una superficie solida e le molecole che sono attaccate ad essa, o anche, in linea di principio, tra un liquido e un solido."

Troppo corto, troppo veloce - o lo erano?

I materiali utilizzati in questo esperimento sono dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMDC - una classe emergente di materiali semiconduttori costituiti da strati dello spessore di pochi atomi. Negli ultimi anni c'è stata un'esplosione di interesse per i TMDC mentre gli scienziati esplorano le loro proprietà fondamentali e i potenziali usi nella nanoelettronica e nella fotonica.

Quando due tipi di TMDC sono impilati in strati alternati, gli elettroni possono fluire da uno strato all'altro in un modo controllabile che le persone vorrebbero sfruttare per varie applicazioni.

Ma fino ad ora, i ricercatori che volevano osservare e studiare quel flusso avevano potuto farlo solo indirettamente, sondando il materiale prima e dopo che gli elettroni si erano mossi. Le distanze coinvolte erano semplicemente troppo brevi, e l'elettrone accelera troppo velocemente, per gli strumenti di oggi per catturare direttamente il flusso di carica.

Almeno questo è quello che pensavano.

Maxwell apre la strada

Secondo un famoso insieme di equazioni intitolato al fisico James Clerk Maxwell, impulsi di corrente emettono onde elettromagnetiche, che può variare da onde radio e microonde a luce visibile e raggi X. In questo caso, il team si è reso conto che il viaggio di un elettrone da uno strato TMDC a un altro dovrebbe generare blips di onde terahertz - che cadono tra le microonde e la luce infrarossa sullo spettro elettromagnetico - e che quei blips potrebbero essere rilevati con gli strumenti all'avanguardia di oggi.

"La gente probabilmente ci aveva pensato prima, ma respinsero l'idea perché pensavano che non ci fosse modo di misurare la corrente degli elettroni che percorrono una distanza così piccola in una quantità così piccola di materiale, "Ma ha detto. "Ma se fai un calcolo dietro la busta, vedi che se una corrente è davvero così veloce dovresti essere in grado di misurare la luce emessa, quindi abbiamo appena provato."

Spinte da un laser

I ricercatori, tutti i ricercatori con lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC, hanno testato la loro idea su un materiale TMDC composto da bisolfuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno.

Lavorando con il professor Aaron Lindenberg dello SLAC/Stanford, Ma e il collega postdoc Burak Guzelturk hanno colpito il materiale con impulsi ultracorti di luce laser ottica per far muovere gli elettroni e hanno registrato le onde terahertz che emettevano con una tecnica chiamata spettroscopia di emissione terahertz nel dominio del tempo. Quelle misurazioni non solo hanno rivelato quanto lontano e velocemente la corrente elettrica viaggiasse tra gli strati, mamma ha detto, ma anche la direzione in cui viaggiava. Quando gli stessi due materiali venivano impilati in ordine inverso, la corrente scorreva esattamente nello stesso modo ma nella direzione opposta.

"Con la dimostrazione di questa nuova tecnica, molti problemi entusiasmanti possono ora essere affrontati, " disse Heinz, che ha condotto le indagini della squadra. "Per esempio, è noto che la rotazione di uno dei due strati di cristallo rispetto all'altro modifica drasticamente le proprietà elettroniche e ottiche degli strati combinati. Questo metodo ci permetterà di seguire direttamente il rapido movimento degli elettroni da uno strato all'altro e vedere come questo movimento è influenzato dal relativo posizionamento degli atomi".