Un nuovo strumento che utilizza la luce per mappare le strutture elettroniche dei cristalli potrebbe rivelare le capacità dei materiali quantistici emergenti e aprire la strada a tecnologie energetiche avanzate e computer quantistici, secondo i ricercatori dell'Università del Michigan, Università di Ratisbona e Università di Marburgo.

Un articolo sull'opera è pubblicato in Scienza .

Le applicazioni includono luci a LED, celle solari e fotosintesi artificiale.

"I materiali quantistici potrebbero avere un impatto ben oltre l'informatica quantistica, " disse Macillo Kira, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Michigan, che ha guidato la parte teorica del nuovo studio. "Se ottimizzi correttamente le proprietà quantistiche, puoi ottenere il 100% di efficienza per l'assorbimento della luce."

Le celle solari a base di silicio stanno già diventando la forma di elettricità più economica, sebbene la loro efficienza di conversione da luce solare a elettricità sia piuttosto bassa, circa il 30%. Semiconduttori "2-D" emergenti, costituiti da un unico strato di cristallo, potrebbe fare molto meglio, potenzialmente utilizzando fino al 100% della luce solare. Potrebbero anche elevare il calcolo quantistico a temperatura ambiente dalle macchine vicine allo zero assoluto dimostrate finora.

"Nuovi materiali quantistici vengono ora scoperti a un ritmo più veloce che mai, " ha detto Rupert Huber, professore di fisica all'Università di Regensburg in Germania, che ha condotto il lavoro sperimentale. "Semplicemente impilando tali strati uno sopra l'altro con angoli di torsione variabili, e con un'ampia scelta di materiali, gli scienziati possono ora creare solidi artificiali con proprietà davvero senza precedenti".

La capacità di mappare queste proprietà fino agli atomi potrebbe aiutare a semplificare il processo di progettazione dei materiali con le giuste strutture quantistiche. Ma questi materiali ultrasottili sono molto più piccoli e disordinati dei cristalli precedenti, e i vecchi metodi di analisi non funzionano. Ora, I materiali 2-D possono essere misurati con il nuovo metodo laser a temperatura e pressione ambiente.

Le operazioni misurabili includono processi che sono fondamentali per le celle solari, laser e calcolo quantistico a guida ottica. Essenzialmente, elettroni pop tra uno "stato fondamentale, "in cui non possono viaggiare, e gli stati nella "banda di conduzione" del semiconduttore, " in cui sono liberi di muoversi nello spazio. Lo fanno assorbendo ed emettendo luce.

Il metodo di mappatura quantistica utilizza un impulso di 100 femtosecondi (100 quadrilionesimi di secondo) di luce laser rossa per far uscire gli elettroni dallo stato fondamentale e nella banda di conduzione. Successivamente gli elettroni vengono colpiti da un secondo impulso di luce infrarossa. Questo li spinge in modo che oscillino su e giù per una "valle" di energia nella banda di conduzione, un po' come gli skateboarder in un halfpipe.

Il team utilizza la doppia natura onda/particellare degli elettroni per creare un modello di onde stazionarie che assomigli a un pettine. Hanno scoperto che quando il picco di questo pettine elettronico si sovrappone alla struttura a bande del materiale, la sua struttura quantistica, gli elettroni emettono luce intensamente. Quella potente emissione di luce lungo, con la larghezza ridotta delle linee del pettine, ha contribuito a creare un'immagine così nitida che i ricercatori la chiamano super-risoluzione.

Combinando quelle precise informazioni sulla posizione con la frequenza della luce, il team è stato in grado di mappare la struttura a bande del diseleniuro di tungsteno a semiconduttore 2-D. Non solo quello, ma potrebbero anche ottenere una lettura del momento angolare orbitale di ciascun elettrone attraverso il modo in cui il fronte dell'onda luminosa si è attorcigliato nello spazio. Manipolando il momento angolare orbitale di un elettrone, noto anche come pseudospin, è una strada promettente per l'archiviazione e l'elaborazione di informazioni quantistiche.

Nel diseleniuro di tungsteno, il momento angolare orbitale identifica quale di due differenti "valli" occupa un elettrone. I messaggi che gli elettroni inviano possono mostrare ai ricercatori non solo in quale valle si trovava l'elettrone, ma anche come appare il paesaggio di quella valle e quanto sono distanti le valli, quali sono gli elementi chiave necessari per progettare nuovi dispositivi quantistici basati su semiconduttori.

Ad esempio, quando il team ha usato il laser per spingere gli elettroni lungo il lato di una valle fino a farli cadere nell'altra, gli elettroni emettono luce in quel punto di caduta, pure. Quella luce fornisce indizi sulla profondità delle valli e sull'altezza della cresta tra di esse. Con questo tipo di informazioni, i ricercatori possono capire come andrebbe il materiale per una varietà di scopi.

Il documento è intitolato, "Tomografia a onde luminose a super risoluzione di bande elettroniche in materiali quantistici".