Gli esseri umani hanno sfruttato ampie porzioni dello spettro elettromagnetico per diverse tecnologie, dai raggi X alle radio, ma un pezzo di quello spettro è rimasto in gran parte fuori portata. Questo è noto come gap terahertz, situato tra onde radio e radiazioni infrarosse, due parti dello spettro che usiamo nelle tecnologie quotidiane, inclusi i telefoni cellulari, Telecomandi TV e tostapane.

Una teoria sviluppata dal defunto professore di Stanford e premio Nobel Felix Bloch ha suggerito che un materiale appositamente strutturato che consentisse agli elettroni di oscillare in un modo particolare potrebbe essere in grado di condurre questi ricercati segnali terahertz.

Ora, decenni dopo la teoria di Bloch, I fisici di Stanford potrebbero aver sviluppato materiali che consentono queste oscillazioni teorizzate, un giorno consentendo miglioramenti nelle tecnologie dalle celle solari agli scanner aeroportuali. Il gruppo ha pubblicato i suoi risultati nel numero del 29 settembre di Scienza .

Innovazioni nei materiali superlattici

I ricercatori hanno a lungo pensato che i materiali con modelli spaziali ripetuti su scala nanometrica potrebbero consentire le oscillazioni di Bloch, ma la tecnologia sta solo raggiungendo la teoria. Un tale materiale richiede che gli elettroni percorrano lunghe distanze senza deviazioni, dove anche la più piccola imperfezione nel mezzo attraverso il quale fluiscono gli elettroni può farli deviare dal loro percorso originale, come un ruscello che cerca di serpeggiare sopra e intorno a rocce e alberi caduti.

La fiorente ricerca nel campo dei materiali bidimensionali e dei superreticoli potrebbe rendere questo tipo di materiale una realtà. I superreticoli sono semiconduttori realizzati stratificando materiali ultrasottili i cui atomi sono disposti secondo uno schema reticolare periodico.

Per questo studio, i ricercatori hanno creato un superreticolo bidimensionale inserendo un foglio di grafene atomicamente sottile tra due fogli di nitruro di boro elettricamente isolante. Gli atomi nel grafene e nel nitruro di boro hanno una spaziatura leggermente diversa, quindi quando sono impilati uno sopra l'altro creano uno speciale schema di interferenza delle onde chiamato motivo moiré.

Nuovi usi per gli elettroni

Protetto dall'aria e dai contaminanti dal nitruro di boro sopra e sotto, gli elettroni nel grafene scorrono lungo percorsi lisci senza deviazioni, esattamente come suggerito dalla teoria sarebbe necessario per condurre segnali terahertz. I ricercatori sono stati in grado di inviare elettroni attraverso il foglio di grafene, raccoglierli dall'altra parte e usarli per dedurre così l'attività degli elettroni lungo il percorso.

Generalmente, quando viene applicata una tensione attraverso un cristallo, gli elettroni vengono continuamente accelerati nella direzione del campo elettrico fino a quando non vengono deviati. In questo superreticolo moiré, i ricercatori hanno dimostrato che gli elettroni possono essere confinati a bande di energia più strette, disse il professore di fisica David Goldhaber-Gordon, coautore dello studio. In combinazione con tempi molto lunghi tra le deviazioni, questo dovrebbe portare gli elettroni ad oscillare sul posto ed emettere radiazioni nell'intervallo di frequenza dei terahertz. Questo è un successo fondamentale nel percorso verso la creazione di emissioni controllate e il rilevamento di frequenze terahertz.

Oltre ad avvicinare la teoria di Bloch alla realtà, i ricercatori hanno scoperto un cambiamento completamente sorprendente nella struttura elettronica del loro materiale superreticolo.

"Nei semiconduttori, come il silicio, possiamo sintonizzare quanti elettroni sono impacchettati in questo materiale, " ha detto Goldhaber-Gordon. "Se mettiamo in più, si comportano come se fossero caricati negativamente. Se ne togliamo un po', la corrente che attraversa il sistema si comporta come se fosse invece composta da cariche positive, anche se sappiamo che sono tutti elettroni."

Ma questo superreticolo porta una nuova svolta:l'aggiunta di ancora più elettroni produce particelle di carica positiva, e portando ancora più rendimenti a carica negativa.

Le future applicazioni di questa inversione nel carattere degli elettroni potrebbero presentarsi sotto forma di giunzioni p-n più efficienti, che sono elementi fondamentali per la maggior parte dei dispositivi elettronici a semiconduttore come le celle solari, LED e transistor. Normalmente, se si fa luce su una giunzione p-n, l'emissione di un elettrone per ogni fotone assorbito è considerata una prestazione eccellente. Ma queste nuove giunzioni potrebbero emettere diversi elettroni per fotone, raccogliere l'energia della luce in modo più efficace.

Terahertz e Stanford, passato e futuro

Sebbene questa nuova ricerca non abbia ancora creato un oscillatore Bloch, gli scienziati hanno raggiunto il primo passo dimostrando che la quantità di moto e la velocità di un elettrone possono essere preservate per lunghi tempi e distanze all'interno di questo superreticolo, disse Menyoung Lee, coautore dello studio che ha condotto la ricerca come studente laureato nel gruppo Goldhaber-Gordon.

"Applichiamo le primissime lezioni originali della fisica dello stato solido che Felix Bloch ha capito molto tempo fa, e si scopre che possiamo usarlo per guidare fenomeni di conduzione unici in nuovi materiali ingegnerizzati, " ha detto Lee.

La tecnologia a frequenza Terahertz potrebbe eventualmente essere un miglioramento rispetto alle tecnologie odierne. Quando oggi gli aeroporti degli Stati Uniti scansionano i passeggeri ai controlli di sicurezza, usano il microonde, che penetrano materiali non metallici per rivelare oggetti metallici nascosti. Goldhaber-Gordon ha spiegato che terahertz ha proprietà di trasmissione simili ma lunghezza d'onda più corta, potenzialmente rivelando anche oggetti nascosti non metallici ad alta risoluzione. Ha aggiunto che gli scanner terahertz potrebbero essere utilizzati anche per rilevare difetti come cavità nascoste negli oggetti su una catena di montaggio di produzione.

La conduzione elettronica pulita dimostrata in questo lavoro ha anche favorito la comprensione dei modi in cui gli elettroni interagiscono e fluiscono, e Goldhaber-Gordon ha affermato che il suo laboratorio prevede di utilizzare queste intuizioni per lavorare sulla creazione di fasci di elettroni estremamente stretti da inviare attraverso i superreticoli. Ha chiamato questo nuovo campo "ottica elettronica in materiali 2-D" perché questi raggi viaggiano in linea retta e obbediscono a leggi di rifrazione in modo simile ai raggi di luce.

"Questa sarà un'area che aprirà molte nuove possibilità, " disse Goldhaber-Gordon, "e siamo solo all'inizio di esplorare cosa possiamo fare."