Gli elettroni all'interno dei materiali solidi possono assumere solo determinati valori di energia. Gli intervalli di energia consentiti sono chiamati "bande" e lo spazio tra di loro, le energie proibite, è noto come "band gap". Entrambi insieme costituiscono la "struttura a bande" del materiale, che è una caratteristica unica di ogni materiale specifico.
Quando i fisici tracciano la struttura delle bande, di solito vedono che le curve risultanti assomigliano a montagne e valli. Infatti, il termine tecnico per un massimo o un minimo di energia locale nelle bande è chiamato "valle", e il campo che studia e sfrutta il modo in cui gli elettroni nel materiale passano da una valle all'altra è chiamato "valletronica".
Nell'elettronica standard dei semiconduttori, la carica elettrica degli elettroni è la proprietà più utilizzata per codificare e manipolare le informazioni. Ma queste particelle hanno altre proprietà che potrebbero essere utilizzate per lo stesso scopo, come la valle in cui si trovano. Negli ultimi dieci anni, lo scopo principale di Valleytronics è stato quello di raggiungere la popolazione della valle di controllo (nota anche come polarizzazione della valle) in materiali.
Un risultato del genere potrebbe essere utilizzato per creare porte e bit classici e quantistici, qualcosa che potrebbe davvero guidare lo sviluppo dell'informatica e dell'elaborazione delle informazioni quantistiche.
I tentativi precedenti presentavano diversi inconvenienti. Ad esempio, la luce utilizzata per manipolare e modificare la polarizzazione della valle doveva essere risonante; cioè l'energia dei suoi fotoni (le particelle che costituiscono la luce) doveva corrispondere esattamente all'energia della banda proibita di quel particolare materiale.
Qualsiasi piccola deviazione riduceva l’efficienza del metodo, quindi, a condizione che ogni materiale abbia le proprie bande proibite, generalizzare il meccanismo proposto sembrava qualcosa di fuori portata. Inoltre, questo processo era stato ottenuto solo per strutture monostrato (materiali 2D, spessi solo un atomo).
Questo requisito ne ha ostacolato l'implementazione pratica, poiché i monostrati sono generalmente limitati in termini di dimensioni e qualità e difficili da progettare.
Ora, i ricercatori dell’ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska e il Dr. Lenard Vamos, guidati dal Prof. ICREA Jens Biegert, in collaborazione con ricercatori del Max-Born-Institute, del Max-Planck Institute for the Science of Light e dell’Instituto de La Ciencia de Materiales de Madrid ha trovato un nuovo metodo universale per indurre la polarizzazione della valle nei materiali sfusi centrosimmetrici.
La scoperta, pubblicata su Nature , sblocca la possibilità di controllare e manipolare la popolazione della valle senza essere limitato dal materiale specifico scelto.
Allo stesso tempo, il metodo può essere utilizzato per ottenere una caratterizzazione più dettagliata di cristalli e materiali 2D.
L'avventura è iniziata con il gruppo sperimentale guidato dal Prof. ICREA dell'ICFO Jens Biegert, che inizialmente voleva produrre sperimentalmente la polarizzazione della valle utilizzando il loro particolare metodo in materiali 2D, seguendo le linee di quanto era stato dimostrato teoricamente in un precedente articolo teorico di Álvaro Jiménez , Rui Silva e Misha Ivanov.
Per impostare l'esperimento, la misurazione iniziale è stata provata su MoS2 in massa (un materiale sfuso costituito da molti monostrati impilati insieme) con il risultato sorprendente che hanno visto la firma della polarizzazione della valle. "Quando abbiamo iniziato a lavorare su questo progetto, i nostri collaboratori teorici ci hanno detto che mostrare la polarizzazione della valle nei materiali sfusi era impossibile", spiega Poborska.
Il team teorico sottolinea inoltre come, all'inizio, il loro modello fosse adatto solo a singoli strati 2D. "A prima vista, sembrava che l'aggiunta di più strati avrebbe ostacolato la selezione di valli specifiche nel campione. Tuttavia, dopo i primi risultati sperimentali, abbiamo adattato la simulazione ai materiali sfusi e ha convalidato le osservazioni sorprendentemente bene. Non abbiamo nemmeno cercare di adattare qualsiasi cosa. È proprio così che è venuta fuori," aggiunge il Prof. Misha Ivanov, il leader teorico.
Alla fine, "si è scoperto che sì, è possibile effettivamente polarizzare a valle i materiali sfusi che sono simmetrici al centro a causa delle condizioni di simmetria", conclude Poborska.
Come spiega Igor Tyulnev, primo autore dell'articolo, "il nostro esperimento consisteva nel creare un intenso impulso di luce con una polarizzazione che si adattasse a questa struttura interna. Il risultato è stato il cosiddetto "campo del trifoglio", la cui simmetria corrispondeva al sub-triangolo reticoli che costituiscono materiali esagonali eteroatomici."
Questo campo forte abbinato a simmetria rompe la simmetria spazio-temporale all'interno del materiale e, cosa ancora più importante, la configurazione risultante dipende dall'orientamento del campo trilobato rispetto al materiale. Pertanto, "semplicemente ruotando il campo di luce incidente, siamo stati in grado di modulare la polarizzazione della valle", conclude Tyulnev, un risultato importante nel campo e una conferma di una nuova tecnica universale in grado di controllare e manipolare le valli elettroniche nei materiali sfusi.
L'esperimento può essere spiegato in tre fasi principali:in primo luogo, la sintesi del campo trifoglio; poi la sua caratterizzazione; e infine, l'effettiva produzione della polarizzazione della valle.
I ricercatori sottolineano l’incredibile precisione richiesta dal processo di caratterizzazione, poiché il campo del trifoglio è costituito non da uno ma da due campi ottici combinati in modo coerente. Uno di essi doveva essere polarizzato circolarmente in una direzione, e l'altro doveva essere la seconda armonica del primo raggio, polarizzato con la direzione opposta. Hanno sovrapposto questi campi uno sull'altro in modo che la polarizzazione totale nel tempo tracciasse la forma trilobata desiderata.
Tre anni dopo i primi tentativi sperimentali, Igor Tyulnev è entusiasta del recente Nature pubblicazione. La comparsa in una rivista così prestigiosa riconosce il nuovo metodo universale che, come afferma, "può essere utilizzato non solo per controllare le proprietà di un'ampia varietà di specie chimiche ma anche per caratterizzare cristalli e materiali 2D."
Come sottolinea il Prof. ICREA dell'ICFO Jens Biegert, "Il nostro metodo può fornire un ingrediente importante per progettare materiali efficienti dal punto di vista energetico per un'archiviazione efficiente delle informazioni e una commutazione rapida. Ciò risponde alla pressante necessità di dispositivi a basso consumo energetico e di una maggiore velocità di calcolo. Non posso promettere che ciò che abbiamo fornito è LA soluzione, ma probabilmente è una soluzione a questa grande sfida."
Ulteriori informazioni: Jens Biegert, Valleytronics in massa MoS2 con un campo ottico topologico, la Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07156-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07156-y
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