I ricercatori di ottica dell'Università del Texas a Dallas hanno dimostrato per la prima volta che un nuovo metodo per la produzione di semiconduttori ultrasottili produce materiale in cui gli eccitoni sopravvivono fino a 100 volte più a lungo rispetto ai materiali creati con metodi precedenti.

I risultati mostrano che gli eccitoni, quasiparticelle che trasportano energia, durano abbastanza a lungo per un'ampia gamma di potenziali applicazioni, compresi i bit nei dispositivi di calcolo quantistico.

Il Dr. Anton Malko, professore di fisica alla Scuola di Scienze Naturali e Matematica, è autore corrispondente di un articolo pubblicato online il 30 marzo su Materiali avanzati che descrive test su semiconduttori ultrasottili realizzati con un metodo di recente sviluppo chiamato tecnica di sintesi assistita da laser (LAST). I risultati mostrano una nuova fisica quantistica al lavoro.

I semiconduttori sono una classe di solidi cristallini la cui conduttività elettrica è compresa tra quella di un conduttore e di un isolante. Questa conducibilità può essere controllata esternamente, tramite drogaggio o gating elettrico, rendendoli elementi chiave per i diodi e i transistor che sono alla base di tutta la moderna tecnologia elettronica.

I dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali (TMD) sono un nuovo tipo di semiconduttore ultrasottile costituito da un metallo di transizione e un elemento calcogeno disposti in uno strato atomico. Sebbene i TMD siano stati esplorati per circa un decennio, la forma 2D esaminata da Malko presenta vantaggi in termini di scalabilità e proprietà optoelettroniche.

"LAST è un metodo molto puro. Prendi molibdeno o tungsteno puro e selenio o zolfo puri e li fai evaporare sotto un'intensa luce laser", ha detto Malko. "Quegli atomi sono distribuiti su un substrato e rendono lo strato TMD bidimensionale con uno spessore inferiore a 1 nanometro."

Le proprietà ottiche di un materiale sono parzialmente determinate dal comportamento degli eccitoni, che sono quasiparticelle che possono trasportare energia pur rimanendo elettricamente neutre.

"Quando un semiconduttore assorbe un fotone, crea nel semiconduttore un elettrone caricato negativamente accoppiato con un buco positivo, per mantenere la carica neutra. Questa coppia è l'eccitone. Le due parti non sono completamente libere l'una dall'altra, hanno ancora un Coulomb interazione tra loro", ha detto Malko.

Malko e il suo team sono rimasti sorpresi nello scoprire che gli eccitoni negli ULTIMI TMD prodotti sono durati fino a 100 volte di più rispetto a quelli in altri materiali TMD.

"Abbiamo subito scoperto che, otticamente parlando, questi campioni 2D si comportano in modo completamente diverso da quelli che abbiamo visto in 10 anni di lavoro con i TMD", ha affermato. "Quando abbiamo iniziato a guardare più a fondo, ci siamo resi conto che non è un colpo di fortuna; è ripetibile e dipende dalle condizioni di crescita".

Secondo Malko, queste vite più lunghe sono causate da eccitoni indiretti, che sono otticamente inattivi.

"Questi eccitoni sono usati come una sorta di serbatoio per alimentare lentamente gli eccitoni otticamente attivi", ha detto.

L'autore principale dello studio, il dottor Navendu Mondal, un ex ricercatore post-dottorato dell'UT Dallas che ora è Marie Skłodowska-Curie Individual Fellow presso l'Imperial College di Londra, ha affermato di ritenere che gli eccitoni indiretti esistano a causa della quantità anormale di deformazione tra il materiale TMD monostrato e il substrato su cui cresce.

"Il controllo della deformazione nel monostrato atomicamente sottile di TMD è uno strumento importante per personalizzare le loro proprietà optoelettroniche", ha affermato Mondal. "La loro struttura a banda elettronica è altamente sensibile alle deformazioni strutturali. Sotto una sollecitazione sufficiente, le modifiche del gap di banda causano la formazione di vari eccitoni 'oscuri' indiretti che sono otticamente inattivi. Attraverso questa scoperta, riveliamo come la presenza di questi eccitoni oscuri nascosti influenzi quegli eccitoni creati direttamente dai fotoni."

Malko ha affermato che la deformazione incorporata nei TMD 2D è paragonabile a quella che verrebbe indotta premendo sul materiale con pilastri di micro o nanodimensioni posizionati esternamente, sebbene non sia un'opzione tecnologica praticabile per strati così sottili.

"Quel ceppo è cruciale per creare questi eccitoni otticamente inattivi e indiretti", ha detto. "Se rimuovi il substrato, lo sforzo viene rilasciato e questa meravigliosa risposta ottica scompare."

Malko ha affermato che gli eccitoni indiretti possono essere sia controllati elettronicamente che convertiti in fotoni, aprendo la strada allo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici.

"Questa maggiore durata della vita ha potenziali applicazioni molto interessanti", ha affermato. "Quando un eccitone ha una durata di vita di soli 100 picosecondi o meno, non c'è tempo per usarlo. Ma in questo materiale, possiamo creare un serbatoio di eccitoni inattivi che vivono molto più a lungo, pochi nanosecondi invece di centinaia di picosecondi. Puoi fare molto con questo."

Malko ha affermato che i risultati della ricerca sono un'importante prova di concetto per i futuri dispositivi su scala quantistica.

"È la prima volta che sappiamo che qualcuno ha fatto questa osservazione fondamentale di eccitazioni così longeve nei materiali TMD, abbastanza a lungo da essere utilizzabile come bit quantistico, proprio come un elettrone in un transistor o anche solo per la raccolta di luce in un celle solari", ha detto. "Niente in letteratura può spiegare queste vite super lunghe degli eccitoni, ma ora capiamo perché hanno queste caratteristiche."

Successivamente i ricercatori cercheranno di manipolare gli eccitoni con un campo elettrico, che è un passo fondamentale verso la creazione di elementi logici a livello quantistico.

"I semiconduttori classici sono già stati miniaturizzati fino alla soglia di casa prima che gli effetti quantistici cambiassero completamente il gioco", ha detto Malko. "Se puoi applicare la tensione di gate e mostrare che i materiali TMD 2D funzioneranno per i futuri dispositivi elettronici, è un passo enorme. Il monostrato atomico nel materiale TMD 2D è 10 volte più piccolo del limite di dimensione con il silicio. Ma puoi creare elementi logici in che taglia? È quello che dobbiamo scoprire." + Esplora ulteriormente

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