La velocità operativa dei semiconduttori in vari dispositivi elettronici e optoelettronici è limitata a diversi gigahertz (un miliardo di oscillazioni al secondo). Ciò limita il limite superiore della velocità operativa del calcolo. Ora i ricercatori dell'MPSD e dell'Indian Institute of Technology di Bombay hanno spiegato come questi processi possono essere accelerati attraverso l'uso di onde luminose e materiali solidi difettosi.

Le onde luminose eseguono diverse centinaia di trilioni di oscillazioni al secondo. Quindi, è naturale immaginare di impiegare oscillazioni leggere per guidare il movimento elettronico. A differenza delle tecniche convenzionali, le onde luminose non solo avviano il movimento elettronico, ma lo controllano anche sulla sua scala temporale naturale, cioè la scala temporale dell'attosecondo (un attosecondo è un quintilionesimo di secondo). Ciò ha il potenziale per aumentare la velocità operativa dei dispositivi e dell'elaborazione di ordini di grandezza e apre una strada per l'elettronica a petahertz.

Lampi di luce ad alta frequenza vengono emessi quando un solido è esposto a luce ultracorta intensa. Questo processo è noto come alta generazione di armoniche (HHG). Le oscillazioni del campo elettrico della luce incidente innescano e controllano il movimento degli elettroni nei solidi, che imposta la corrente in solidi. La corrente indotta ha due contributi:uno dovuto alle transizioni degli elettroni dalle bande di valenza alle bande di conduzione e un altro dovuto al moto di elettroni e lacune nelle rispettive bande di energia.

Negli studi teorici e sperimentali del processo di HHG nei solidi, si presume comunemente che i solidi siano privi di difetti. Però, questa ipotesi di fondo non è vera in pratica. Nei solidi reali, i difetti sono inevitabili a causa dei loro processi di crescita. Possono essere di diverse forme come posti vacanti, interstitial, o impurità. Attualmente, non si sa molto su come la presenza di difetti possa modificare il processo HHG e la dinamica elettronica associata. Tenendo presente che l'ingegneria dei difetti è stata la spina dorsale dell'optoelettronica convenzionale, è quindi fondamentale comprendere il ruolo dei difetti nel contesto dell'elettronica petahertz e della spintronica.

Nel loro recente lavoro teorico pubblicato su npj Materiali di calcolo , un team di ricercatori dell'Indian Institute of Technology (IIT) di Bombay, India, e l'Istituto Max-Planck per la struttura e la dinamica della materia (MPSD) di Amburgo, Germania, hanno indirizzato un'importante informazione mancante verso lo sforzo dell'elettronica petahertz e della spintronica:in che modo i diversi tipi di difetti influenzano il movimento degli elettroni nei solidi durante l'HHG? Per rispondere a questa domanda, un monostrato bidimensionale di nitruro di boro esagonale (h-BN) con una vacanza di atomo di boro o azoto è esposto a un intenso lampo di luce.

h-BN inizia a comportarsi come un donatore o un accettore di elettroni non appena viene rimosso un atomo di azoto o di boro. Ciò si traduce in strutture elettroniche qualitativamente diverse e i difetti di vacanza indotti diventano spin-polarizzati. In particolare, il team di ricerca ha scoperto che i due canali di spin sono influenzati in modo diverso e che gli elettroni con spin opposti contribuiscono in modo diverso all'emissione ad alta armonica. Inoltre, l'interazione elettrone-elettrone si manifesta in modo disparato nei solidi-defetti rispetto a quello originario.

Il presente lavoro anticipa anche la situazione in cui un atomo di azoto o di boro viene sostituito da un atomo di carbonio (difetto di drogaggio) invece di rimuovere completamente l'atomo da h-BN. Quando un singolo atomo di boro viene sostituito da un singolo atomo di carbonio, le dinamiche elettroniche assomigliano a quelle in cui un atomo di azoto viene rimosso completamente da h-BN. Al contrario, la situazione opposta si verifica quando un atomo di azoto viene sostituito da un atomo di carbonio:qui, le dinamiche assomigliano a quelle in cui un atomo di boro è completamente staccato dal sistema.

Questo lavoro è un passo significativo verso il raggiungimento di un migliore controllo della spintronica petahertz guidata dalle onde luminose utilizzando l'ingegneria dei difetti nei solidi.