Sfruttando impulsi terahertz intensi e a banda larga ultraveloci, gli scienziati della Yokohama National University e i loro colleghi del California Institute of Technology hanno dimostrato l'eccitazione atomica in un materiale semiconduttore bidimensionale, facendo avanzare lo sviluppo di dispositivi elettronici.

Il loro articolo è stato pubblicato il 19 marzo e appare come Editor's Pick nella rivista Applied Physics Letters .

I materiali bidimensionali (2D), o nanomateriali simili a fogli, sono piattaforme promettenti per future applicazioni di semiconduttori grazie alle loro proprietà elettroniche uniche. I dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), un gruppo importante di materiali 2D, sono costituiti da strati di atomi di metalli di transizione inseriti tra strati di atomi di calcogeno.

Disposti in una struttura reticolare, questi atomi possono vibrare o oscillare attorno alle loro posizioni di equilibrio:questa eccitazione collettiva è nota come fonone coerente e svolge un ruolo cruciale nel determinare e controllare le proprietà dei materiali.

Tradizionalmente, i fononi coerenti sono indotti da laser pulsati ultracorti nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso. I metodi che utilizzano altre fonti di luce rimangono limitati.

"Il nostro studio affronta la questione fondamentale di come i fononi coerenti siano indotti dai laser ultraveloci con frequenza terahertz - o fotoni a bassa energia - nei materiali TMD", ha affermato Satoshi Kusaba, professore assistente presso la Graduate School of Engineering Science dell'Università Nazionale di Yokohama e primo autore dello studio.

La radiazione terahertz si riferisce alle onde elettromagnetiche con frequenze nella gamma dei terahertz, tra le frequenze delle microonde e degli infrarossi. Il gruppo di ricerca ha preparato impulsi terahertz a banda larga ultraveloci per indurre una dinamica fononica coerente nei film sottili di un TMD chiamato WSe₂ .

È stata predisposta una configurazione precisa e sensibile per rilevare l'anisotropia ottica, in altre parole, come si comporta la luce quando attraversa il materiale. I ricercatori hanno studiato i cambiamenti nell'orientamento del campo elettrico degli impulsi laser ultracorti mentre interagiscono con il materiale; questi cambiamenti sono noti come rotazione di polarizzazione.

Osservando attentamente la piccola anisotropia ottica indotta, il team è riuscito a rilevare i segnali fononici indotti dagli impulsi terahertz.

"La scoperta più importante del nostro studio è che l'eccitazione terahertz può indurre fononi coerenti nei TMD attraverso un distinto processo di eccitazione della somma delle frequenze", ha affermato Haw-Wei Lin, Ph.D. candidato al California Institute of Technology al momento della ricerca e co-primo autore di questo studio.

"Questo meccanismo, che è fondamentalmente diverso dai processi di assorbimento risonante e lineare, coinvolge l'energia combinata di due fotoni terahertz che corrispondono a quella della modalità fonone."

Poiché la simmetria dei modi fononici che possono essere eccitati tramite questo processo a frequenza somma è completamente diversa da quella del più tipico processo lineare risonante, il processo di eccitazione utilizzato con successo in questo studio è importante per il controllo completo dei movimenti atomici nei materiali. Le implicazioni dei risultati dello studio vanno oltre la ricerca fondamentale, promettendo una varietà di applicazioni nel mondo reale.

"Con il processo di eccitazione della somma delle frequenze, possiamo controllare in modo coerente le posizioni atomiche bidimensionali utilizzando l'eccitazione terahertz", ha detto Kusaba. "Ciò potrebbe aprire la porta al controllo degli stati elettronici dei TMD, il che è promettente per lo sviluppo di Valleytronics e dispositivi elettronici che utilizzano TMD per un basso consumo energetico, calcoli ad alta velocità e sorgenti luminose specializzate."

Altri contributori includono Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama e Jun Takada della Yokohama National University; Geoffrey A. Blake del California Institute of Technology.