Paul Jerger, uno studente laureato presso l'Università di Chicago e Argonne, regola il supporto che consente ai ricercatori di ruotare e posizionare il loro magnete. Credito:Università di Chicago/Jonathan Karsch
I ricercatori dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare il flusso delle fotocorrenti in un materiale 2-D, un risultato che potrebbe avere implicazioni per lo sviluppo di sensori quantistici e di elettronica di prossima generazione.
Utilizzando sensori quantistici per visualizzare il campo magnetico in bisolfuro di molibdeno estremamente sottile (MoS 2 )—un materiale spesso solo tre atomi—il team ha scoperto come le fotocorrenti (correnti elettriche indotte dalla luce) scorressero nel materiale—in questo caso, sorprendentemente, in un vortice intorno al laser. Questo metodo ultrasensibile per misurare tali correnti in un materiale bidimensionale, che è una sostanza con uno spessore di pochi nanometri o meno, aiuterà i ricercatori a comprendere meglio il materiale nella speranza di utilizzarlo eventualmente per creare componenti elettronici flessibili e celle solari. I risultati sono stati pubblicati il 6 gennaio sulla rivista Revisione fisica X .
"La capacità di osservare un comportamento elettronico invisibile alle misurazioni tradizionali apre nuove strade per lo studio scientifico, e in definitiva ci aiuta a progettare tecnologie quantistiche efficienti, " ha detto il ricercatore principale David Awschalom, Liew Family Professor di Ingegneria Molecolare, scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory, e direttore del Chicago Quantum Exchange. "Questa tecnica di misurazione sensibile ci consente di esplorare fenomeni su scala atomica e sviluppare nuovi dispositivi per il rilevamento e la comunicazione quantistica.
Misurazione di correnti in materiali estremamente sottili
Per effettuare la misurazione, Awschalom e la squadra hanno piazzato MoS 2 su un centro di azoto vacante, che è un difetto in un diamante in cui un atomo di azoto si trova vicino a un sito vuoto nel reticolo del diamante. Questi spot possono essere usati per studiare i fenomeni di spin elettronico e nucleare.
Il team ha quindi puntato un laser rosso sul materiale per vedere se potevano rilevare eventuali disturbi magnetici temporanei (che ipotizzavano che il laser potesse causare). Ma invece di disturbi magnetici, hanno rilevato forti fotocorrenti, che può risultare quando la luce viene riflessa su un materiale. Queste fotocorrenti producono campi magnetici mentre scorrono. Le fotocorrenti sono alla base della tecnologia delle fotocamere digitali, celle solari, e reti in fibra ottica.
I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire le fotocorrenti che viaggiano in un vortice attorno al laser, una forma che sarebbe impossibile rilevare con altre tecniche.
Metodi tradizionali per misurare il flusso delle fotocorrenti attraverso MoS 2 sono difficili da eseguire e spesso sono errati. Comprendere questo fenomeno è importante per sviluppare un'elettronica potenzialmente flessibile e trasparente da MoS 2 e altri materiali 2-D.
"Siamo molto più felici di aver trovato le fotocorrenti invece dei disturbi magnetici che stavamo cercando, " ha detto Paul Jerger, uno studente laureato nel laboratorio UChicago di Awschalom e ad Argonne, che ha condotto la ricerca con l'ex borsista postdottorato Brian Zhou, che ora è al Boston College. "Comprendere le fotocorrenti ci aiuterà a comprendere meglio le proprietà elettriche di materiali come questo, con la speranza di usarli per l'elettronica come fotocamere digitali o celle solari".
Creare dispositivi quantistici più compatti
La scoperta potrebbe aprire la strada a migliori configurazioni sperimentali in laboratorio, dove i centri di azoto vacanti vengono utilizzati per condurre operazioni quantistiche. Sarà anche utile per capire come vengono generate e propagate le fotocorrenti, che potrebbe consentire ai ricercatori di utilizzare materiali sottili per le fotocamere digitali, celle solari, o anche campi magnetici su richiesta che non richiedono cavi elettrici.
Successivamente il team spera di adattare il processo per misurare le fotocorrenti a temperatura ambiente, e provare ad applicare questa tecnica per misurare le fotocorrenti in altri materiali sottili, come il grafene.
"Mentre sintetizziamo materiali quantistici di altissima qualità, idealmente vogliamo misurarli senza effettuare collegamenti elettrici dirompenti, "ha detto Jiwoong Park, professore di chimica all'UChicago e nominato congiunto all'Argonne, il cui gruppo ha creato il MoS 2 utilizzato nello studio. "Questa nuova tecnica ci permette di farlo, aprendo la strada allo sviluppo di nuovi materiali quantistici nei processi su scala industriale".