I ricercatori del dipartimento di chimica fisica dell'istituto Fritz Haber e dell'istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo hanno scoperto che gli impulsi laser possono attivare commutazioni ultraveloci nelle proprietà dei materiali, e perché. Questa conoscenza può consentire nuovi concetti di transistor.

Rendere il più veloce possibile la tecnologia elettronica è un obiettivo centrale della ricerca contemporanea sui materiali. I componenti chiave delle tecnologie di elaborazione rapida sono i transistor:dispositivi di commutazione che attivano e disattivano le correnti elettriche molto rapidamente come passaggi di base delle operazioni logiche. Al fine di migliorare le nostre conoscenze sui materiali ideali per i transistor, i fisici sono costantemente alla ricerca di nuovi metodi per realizzare commutazioni così veloci. I ricercatori del Fritz Haber Institute della Max Planck Society di Berlino e del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo hanno ora scoperto che un nuovo tipo di interruttore ultraveloce può essere realizzato con la luce.

I fisici coinvolti nel progetto stanno studiando come far sì che i materiali cambino al meglio le loro proprietà:rendere non magnetici i metalli magnetici, Per esempio, o per modificare la conduttività elettrica di un cristallo. Le proprietà elettriche di un materiale sono fortemente legate alla disposizione degli elettroni nel cristallo. Il controllo della disposizione degli elettroni è stato un argomento chiave per decenni. La maggior parte dei metodi di controllo, però, sono abbastanza lenti.

"Sapevamo che le influenze esterne come le variazioni di temperatura o pressione funzionano, "dice il dottor Ralph Ernstorfer, Group Leader presso il Dipartimento di Chimica Fisica del Fritz Haber Institute, "ma ci vuole tempo, almeno pochi secondi." Chi usa regolarmente uno smartphone o un computer sa che pochi secondi possono sembrare un'eternità. Così il gruppo del Dr. Ernstorfer ha esplorato come cambiare le proprietà dei materiali molto più velocemente per mezzo della luce.

Utilizzando attrezzature nuove di zecca presso l'Istituto Fritz Haber, i ricercatori hanno drasticamente ridotto il tempo di commutazione a soli 100 femtosecondi sparando impulsi laser ottici ultracorti sul materiale prescelto, un cristallo semimetallico composto da atomi di tungsteno e tellurio. La luce splendente sul cristallo lo incoraggia a riorganizzare la sua struttura elettronica interna, che cambia anche la conduttività del cristallo. Inoltre, gli scienziati sono stati in grado di osservare esattamente come è cambiata la sua struttura elettronica.

"Abbiamo utilizzato un nuovo strumento per fotografare la transizione in ogni fase del processo, " spiega il dottor Samuel Beaulieu, che ha lavorato come borsista post-dottorato con Ralph Ernstorfer presso il Fritz-Haber-Institut (2018-2020) e che ora è ricercatore permanente presso il Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) presso il CNRS-Bordeaux University. "Questo è un progresso straordinario:sapevamo solo com'era la struttura elettronica del materiale, ma mai durante la transizione, " aggiunge. Inoltre, modellazione all'avanguardia di questo nuovo processo da parte del Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dott. Michael Sentef, e il Prof. Dr. Angel Rubio del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ha rivelato l'origine di questo nuovo tipo di transizione elettronica ultraveloce. L'impulso laser che colpisce i materiali cambia il modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro. Questa è la forza trainante di questa transizione esotica, nota come transizione di Lifshitz.

Questo metodo è destinato a generare una grande quantità di conoscenze sui possibili futuri materiali dei transistor. Il solo fatto che la luce possa guidare le transizioni elettroniche ultraveloci è un primo passo verso una tecnologia ancora più rapida ed efficiente.

Lo studio è pubblicato su Progressi scientifici .