(Phys.org) —Un team di ricerca dell'Università del Kansas ha utilizzato laser ad alta potenza per tracciare la velocità e il movimento degli elettroni all'interno di un materiale innovativo dello spessore di un solo atomo. I loro risultati sono pubblicati nell'attuale numero di ACS Nano , una rivista peer-reviewed focalizzata sulla nanoscienza.

Il lavoro presso l'Ultrafast Laser Lab di KU potrebbe aiutare a indicare la strada verso la prossima generazione di transistor e pannelli solari fatti di solido, materiali atomicamente sottili.

"Quando il solido è uno strato sottile, gli elettroni sono confinati in questo strato sottile, " disse Hui Zhao, professore associato di fisica e astronomia, chi guida la squadra. "Un elettrone che è libero di muoversi in due dimensioni si comporta in modo molto diverso da quelli che si muovono in tutte e tre le dimensioni. Cambia totalmente il modo in cui gli elettroni interagiscono con l'ambiente. Nelle giuste condizioni, gli elettroni che si muovono in due dimensioni hanno meno probabilità di entrare in collisione con altre cose nel solido, e quindi il loro moto è meno interrotto. Il movimento più veloce degli elettroni spesso porta a migliori prestazioni dei dispositivi".

Per monitorare gli elettroni, Zhao e gli studenti laureati Qiannan Cui, Frank Ceballos e Nardeep Kumar hanno creato uno strato di un singolo atomo di disolfuro di tungsteno, un materiale utilizzato nelle celle solari e come lubrificante.

I ricercatori della KU hanno prodotto il singolo strato atomico utilizzando il "metodo dello scotch tape" utilizzato per la prima volta dagli scienziati che lavorano all'Università di Manchester per creare "grafene, " un materiale che ha valso ai suoi creatori il Premio Nobel per la fisica nel 2010.

"Il diseleniuro di tungsteno è uno dei pochi materiali atomicamente sottili che sono noti per essere stabili in condizioni ambientali, " Zhao ha detto. "Non abbiamo molte scelte. La maggior parte dei materiali non può rimanere in un formato a strato singolo atomico. Si romperanno o si convertiranno in altre forme."

Una volta che il team ha creato un fiocco di diseleniuro di tungsteno dello spessore di un singolo atomo, hanno sistemato circa 100 specchi, lenti e cristalli su un tavolo privo di vibrazioni per creare un microscopio ad assorbimento transitorio. Prossimo, hanno focalizzato un impulso laser ultracorto, con una durata di solo un decimo di un miliardesimo di secondo, sul campione. Centinaia di elettroni in un'area di un micrometro quadrato del materiale hanno assorbito l'energia del laser e sono diventati abbastanza energetici da potersi muovere liberamente nel campione.

"Il loro movimento è simile a quei bambini energici, tranne che si muovono molto più velocemente e si scontrano molto più frequentemente, " disse Zhao.

La capacità del team di tracciare il movimento degli elettroni e determinarne la velocità è la svolta più importante dell'indagine.

"Per seguire il moto di questi elettroni energetici, abbiamo usato un altro impulso laser per tracciare la posizione di questi elettroni ogni un miliardesimo di secondo finché non hanno perso la loro energia e si sono stabilizzati, " Zhao ha detto. "La misurazione è stata ripetuta automaticamente 80 milioni di volte al secondo per calcolare la media del rumore. Abbiamo scoperto che gli elettroni si scontrano con altre particelle circa 4 miliardi di volte al secondo, in media."

La velocità degli elettroni in un materiale è una delle proprietà elettroniche più importanti, secondo il ricercatore.

"Si traduce per un funzionamento più veloce in dispositivi logici e computer, maggiore efficienza nelle celle solari e migliore sensibilità nei sensori, " ha detto Zhao. "Essere in grado di misurare questa qualità è il primo passo per comprendere eventuali fattori limitanti e come migliorarli. Altri ricercatori deducono il movimento degli elettroni misurando la corrente rispetto alla tensione. È meno diretto e richiede il collegamento del semiconduttore agli elettrodi. Questo può essere molto difficile per campioni piccoli e sottili. Il nostro approccio è diretto e non invasivo".

Non contento di monitorare semplicemente l'attività degli elettroni, Zhao e il suo team sperano di aumentare le prestazioni degli elettroni per ottenere risultati più efficienti, dispositivi elettronici potenti rispetto all'attuale generazione che utilizzano il silicone come materiale del transistor.

"Il nostro prossimo obiettivo lungo questa linea è trovare modi per aumentare la velocità degli elettroni di, Per esempio, posando i singoli strati su un supporto più idoneo o modificando il materiale, " ha detto. "Un'altra direzione è quella di utilizzare questo materiale, insieme ad altri, per formare nuovi, cristalli 3D artificiali. È possibile che tali cristalli si svilupperanno nei prossimi anni, perché molti gruppi ci stanno lavorando. È difficile prevedere quando questo potrà essere commercializzato. Questa è solo una potenziale soluzione per sostituire il silicio per l'industria elettronica. L'obiettivo attuale è imparare a migliorare la qualità dei materiali, ridurre i costi e cercare di comprenderne vantaggi e svantaggi."