Un nuovo studio condotto da un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università del Minnesota evidenzia come la manipolazione di materiali 2D potrebbe rendere più veloci i nostri dispositivi moderni, più piccoli, e meglio.

I risultati sono ora online e saranno pubblicati in Materiali della natura , una delle principali riviste scientifiche di scienza dei materiali e ricerca ingegneristica.

I materiali bidimensionali sono una classe di nanomateriali che hanno solo pochi atomi di spessore. Gli elettroni in questi materiali sono liberi di muoversi nel piano bidimensionale, ma il loro movimento limitato nella terza direzione è governato dalla meccanica quantistica. La ricerca su questi nanomateriali è ancora agli inizi, ma materiali 2D come il grafene, i dichalcogenuri dei metalli di transizione e il fosforo nero hanno attirato un'enorme attenzione da parte di scienziati e ingegneri per le loro straordinarie proprietà e il potenziale per migliorare i dispositivi elettronici e fotonici.

In questo studio, ricercatori dell'Università del Minnesota, MIT, Stanford, Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti, IBM, e università in Brasile, Regno Unito e Spagna, hanno collaborato per esaminare le proprietà ottiche di diverse dozzine di materiali 2D. L'obiettivo del documento è unificare la comprensione delle interazioni luce-materia in questi materiali tra i ricercatori ed esplorare nuove possibilità per la ricerca futura.

Discutono di come i polaritoni, una classe di quasiparticelle formate dall'accoppiamento di fotoni con dipoli di carica elettrica nel solido, consentono ai ricercatori di sposare la velocità delle particelle luminose dei fotoni e le piccole dimensioni degli elettroni.

"Con i nostri dispositivi, vogliamo velocità, efficienza, e vogliamo piccolo. I polaritoni potrebbero offrire la risposta, " ha detto Tony Basso, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università del Minnesota e autore principale dello studio.

Eccitando i polaritoni nei materiali 2D, l'energia elettromagnetica può essere focalizzata fino a un volume un milione di volte più piccolo rispetto a quando si propaga nello spazio libero.

"I materiali bidimensionali stratificati sono emersi come una fantastica cassetta degli attrezzi per la nano-fotonica e la nano-optoelettronica, fornire design e sintonizzabilità su misura per proprietà che non è possibile realizzare con materiali convenzionali, " ha detto Frank Koppens, capogruppo presso l'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona, Spagna, e co-autore dello studio. "Questo offrirà enormi opportunità per le applicazioni".

Anche altri membri del team dell'industria privata riconoscono il potenziale nelle applicazioni pratiche.

"Lo studio dei polaritoni plasmonici in due dimensioni non è solo un affascinante argomento di ricerca, ma offre anche possibilità per importanti applicazioni tecnologiche, " disse Fedone Avoruris, IBM Fellow presso l'IBM T.J. Watson Research Center e coautore dello studio. "Per esempio, un materiale a strato atomico come il grafene estende il campo della plasmonica alle regioni dell'infrarosso e dei terahertz dello spettro elettromagnetico consentendo applicazioni uniche che vanno dal rilevamento e dal rilevamento di piccole quantità di biomolecole, alle applicazioni nelle comunicazioni ottiche, raccolta di energia e imaging di sicurezza".

Il nuovo studio ha anche esaminato le possibilità di combinare materiali 2D. I ricercatori sottolineano che ogni materiale 2D presenta vantaggi e svantaggi. La combinazione di questi materiali crea nuovi materiali che possono avere le migliori qualità di entrambi.

"Ogni volta che guardiamo un nuovo materiale, troviamo qualcosa di nuovo, " Low ha detto. "Il grafene è spesso considerato un materiale 'meraviglioso', ma combinarlo con un altro materiale può renderlo ancora migliore per un'ampia varietà di applicazioni."

Per leggere il documento di ricerca completo, dal titolo "Polaritoni in materiali bidimensionali stratificati, " visitare il Materiali della natura sito web.