Un nuovo studio prevede che i ricercatori potrebbero utilizzare impulsi a spirale di luce laser per cambiare la natura del grafene, trasformandolo da metallo in un isolante e conferendogli altre proprietà peculiari che potrebbero essere utilizzate per codificare le informazioni.

I risultati, pubblicato l'11 maggio in Comunicazioni sulla natura , spianare la strada a esperimenti che creano e controllano nuovi stati della materia con questa forma specializzata di luce, con potenziali applicazioni nell'informatica e in altri settori.

"È come se prendessimo un pezzo di argilla e lo trasformassimo in oro, e quando l'impulso laser se ne va l'oro torna argilla, " ha detto Thomas Devereaux, professore presso il Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC del Dipartimento di Energia e direttore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), un istituto congiunto SLAC/Stanford.

"Ma in questo caso, " Egli ha detto, "Le nostre simulazioni mostrano che potremmo teoricamente modificare le proprietà elettroniche del grafene, capovolgendolo avanti e indietro da uno stato metallico, dove gli elettroni scorrono liberamente, ad uno stato isolante. In termini digitali è come passare da zero a uno, acceso e spento, sì e no; può essere utilizzato per codificare le informazioni in una memoria del computer, ad esempio. Ciò che lo rende bello e interessante è che potresti realizzare interruttori elettronici con la luce invece che con gli elettroni".

Devereaux ha condotto lo studio con Michael Sentef, che ha iniziato il lavoro come ricercatore post-dottorato presso lo SLAC ed è ora presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Germania.

Modificare un materiale meraviglioso

Il grafene è una forma pura di carbonio dello spessore di un solo atomo, con i suoi atomi disposti a nido d'ape. Celebrato come un materiale meraviglioso sin dalla sua scoperta 12 anni fa, è flessibile, quasi trasparente, un superbo conduttore di calore ed elettricità e uno dei materiali più resistenti conosciuti. Ma nonostante i tanti tentativi, gli scienziati non hanno trovato un modo per trasformarlo in un semiconduttore, il materiale alla base della microelettronica.

Uno studio precedente ha dimostrato che potrebbe essere possibile fare un passo in quella direzione colpendo un materiale con luce polarizzata circolarmente, luce che gira a spirale in senso orario o antiorario mentre viaggia, una qualità che può essere descritta anche come destrimani o mancini. Questo creerebbe un "band gap, "una gamma di energie che gli elettroni non possono occupare, che è uno dei tratti distintivi di un semiconduttore.

Nello studio SIMES, i teorici hanno utilizzato il National Energy Research Scientific Computing Center del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory per eseguire simulazioni su larga scala di un esperimento in cui il grafene viene colpito da impulsi polarizzati circolarmente della durata di pochi milionesimi di miliardesimo di secondo.

Avvicinarsi il più possibile al reale

"Gli studi precedenti erano basati su calcoli analitici e su situazioni idealizzate, " disse Martin Claassen, uno studente laureato a Stanford nel gruppo di Devereaux che ha dato contributi chiave allo studio. "Questo ha cercato di simulare ciò che accade in condizioni sperimentali il più vicino possibile alle reali, fino alla forma degli impulsi laser. Fare una simulazione del genere può dirti quali tipi di esperimenti sono fattibili e identificare le regioni in cui potresti trovare i cambiamenti più interessanti in quegli esperimenti".

Le simulazioni mostrano che la manualità della luce laser interagirebbe con una leggera manualità nel grafene, che non è del tutto uniforme. Questa interazione porta a proprietà interessanti e inaspettate, ha affermato Brian Moritz, scienziato dello staff dello SLAC e coautore dello studio. Non solo produce un gap di banda, ma induce anche uno stato quantistico in cui il grafene ha un cosiddetto "numero di Chern" di uno o zero, che deriva da un fenomeno noto come curvatura di Berry e offre un altro stato on/off che gli scienziati potrebbero essere in grado di sfruttare.

Le intuizioni vanno oltre il grafene

Sebbene questo studio non apra immediatamente modi per realizzare dispositivi elettronici, fornisce ai ricercatori intuizioni fondamentali che fanno avanzare la scienza in quella direzione. I risultati sono rilevanti anche per i materiali chiamati dichalcogenides (pronunciato colorante-cal-CAW-gin-eyeds), che sono anche fogli bidimensionali di atomi disposti in una struttura a nido d'ape.

I dichalcogenidi sono al centro di un'intensa ricerca in SIMES e nel mondo per il loro potenziale nella creazione di dispositivi "valleytronici". In Valleytronics, gli elettroni si muovono attraverso un semiconduttore bidimensionale come un'onda con due valli di energia le cui caratteristiche possono essere utilizzate per codificare le informazioni. Le possibili applicazioni includono rilevatori di luce, logica del computer a bassa energia e chip di archiviazione dati e calcolo quantistico. Oltre al lavoro sul grafene, i membri del gruppo di ricerca hanno anche simulato esperimenti che coinvolgono l'interazione della luce con i dicalcogenuri.

"In definitiva, "Moritz ha detto "stiamo cercando di capire come l'interazione con la luce possa alterare il carattere e le proprietà di un materiale per creare qualcosa di nuovo e interessante da un punto di vista tecnologico".