Una nuova combinazione di materiali può guidare in modo efficiente l'elettricità e la luce lungo lo stesso minuscolo filo, una scoperta che potrebbe essere un passo avanti verso la costruzione di chip per computer in grado di trasportare informazioni digitali alla velocità della luce.

Reportage oggi sulla rivista ad alto impatto della The Optical Society (OSA) ottica , scienziati ottici e dei materiali presso l'Università di Rochester e l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo descrivono un circuito modello di base costituito da un nanofilo d'argento e una scaglia monostrato di disolfuro di molibendo (MoS2).

Usando un laser per eccitare onde elettromagnetiche chiamate plasmoni sulla superficie del filo, i ricercatori hanno scoperto che il fiocco di MoS2 all'estremità del filo generava una forte emissione di luce. Andando nell'altra direzione, mentre gli elettroni eccitati si rilassavano, furono raccolti dal filo e riconvertiti in plasmoni, che emette luce della stessa lunghezza d'onda.

"Abbiamo scoperto che esiste una pronunciata interazione luce-materia su scala nanometrica tra plasmoni e materiale atomicamente sottile che può essere sfruttata per circuiti integrati nanofotonici, " ha detto Nick Vamivakas, assistente professore di ottica quantistica e fisica quantistica presso l'Università di Rochester e autore senior dell'articolo.

Tipicamente circa un terzo dell'energia rimanente andrebbe persa per ogni pochi micron (milionesimi di metro) i plasmoni hanno viaggiato lungo il filo, ha spiegato Kenneth Goodfellow, uno studente laureato presso l'Istituto di ottica di Rochester e autore principale del ottica carta.

"È stato sorprendente vedere che era rimasta abbastanza energia dopo il viaggio di andata e ritorno, " disse Goodfellow.

I dispositivi fotonici possono essere molto più veloci di quelli elettronici, ma sono più ingombranti perché i dispositivi che focalizzano la luce non possono essere miniaturizzati quasi quanto i circuiti elettronici, disse Goodfellow. I nuovi risultati promettono di guidare la trasmissione della luce, e mantenendo l'intensità del segnale, in dimensioni molto ridotte.

Dalla scoperta del grafene, un unico strato di carbonio estraibile dalla grafite con nastro adesivo, gli scienziati hanno esplorato rapidamente il mondo dei materiali bidimensionali. Questi materiali hanno proprietà uniche che non si vedono nella loro forma sfusa.

Come il grafene, MoS2 è costituito da strati debolmente legati tra loro, quindi possono essere facilmente separati. Alla rinfusa MoS2, elettroni e fotoni interagiscono come farebbero nei semiconduttori tradizionali come il silicio e l'arseniuro di gallio. Poiché MoS2 è ridotto a strati sempre più sottili, il trasferimento di energia tra elettroni e fotoni diventa più efficiente.

La chiave per le proprietà fotoniche desiderabili di MoS2 è nella struttura del suo gap energetico. Man mano che il numero di strati del materiale diminuisce, passa da un gap di banda indiretto a quello diretto, che consente agli elettroni di spostarsi facilmente tra le bande di energia rilasciando fotoni. Il grafene è inefficiente nell'emissione di luce perché non ha band gap.

La combinazione di elettronica e fotonica sugli stessi circuiti integrati potrebbe migliorare drasticamente le prestazioni e l'efficienza della tecnologia mobile. I ricercatori affermano che il prossimo passo è dimostrare il loro circuito primitivo con diodi emettitori di luce.