I ricercatori dell'Università della Pennsylvania sono ora tra i primi a produrre un singolo, strato spesso tre atomi di un materiale bidimensionale unico chiamato ditelluride di tungsteno. I loro risultati sono stati pubblicati in Materiali 2-D .

A differenza di altri materiali bidimensionali, gli scienziati ritengono che il ditelluride di tungsteno abbia quelli che vengono chiamati stati elettronici topologici. Ciò significa che può avere molte proprietà diverse, non solo una.

Quando si pensa ai materiali bidimensionali, il grafene è probabilmente il primo che mi viene in mente.

Il fitto, la lastra di carbonio atomicamente sottile prodotta per la prima volta nel 2004 ha ispirato innumerevoli percorsi di ricerca che potrebbero rivoluzionare tutto, dalla tecnologia all'acqua potabile.

Una delle proprietà più importanti del grafene è che è quello che viene chiamato un semiconduttore a banda proibita zero in quanto può comportarsi sia come un metallo che come un semiconduttore.

Ma ci sono tantissime altre proprietà che i materiali 2-D possono avere. Alcuni possono isolare, altri possono emettere luce e altri ancora possono essere spintronici, nel senso che hanno proprietà magnetiche.

"Il grafene è solo grafene, " ha detto AT Charlie Johnson, professore di fisica alla Penn's School of Arts &Sciences. "Fa semplicemente quello che fa il grafene. Se vuoi avere sistemi funzionanti basati su materiali 2-D, allora vuoi materiali 2-D che abbiano tutte le diverse proprietà fisiche di cui siamo a conoscenza."

La capacità dei materiali 2-D di avere stati elettronici topologici è un fenomeno sperimentato da Charles Kane, il Christopher H. Browne Distinguished Professor di Fisica alla Penn.

In questa nuova ricerca, Johnson, il professore di fisica James Kikkawa e gli studenti laureati Carl Naylor e William Parkin sono stati in grado di produrre e misurare le proprietà di un singolo strato di ditelluride di tungsteno.

"Poiché il ditelluride di tungsteno ha uno spessore di tre atomi, gli atomi possono essere disposti in modi diversi, " Johnson ha detto. "Questi tre atomi possono assumere configurazioni leggermente diverse l'uno rispetto all'altro. Si prevede che una configurazione dia queste proprietà topologiche".

Marija Drndi?, il Professore di Fisica Fay R. e Eugene L. Langberg; Andrea Rappe, il professore di chimica Blanchard e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la School of Engineering and Applied Science, e Robert Carpick, il John Henry Towne Professor e presidente del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, anche contribuito alla ricerca.

"È davvero un prodotto Penn, " Johnson ha detto. "Stiamo collaborando con molti altri membri della facoltà che indagano sul materiale a modo loro, e abbiamo riunito tutto per pubblicare un giornale. Tutti vengono a fare il giro".

I ricercatori sono stati in grado di coltivare questo materiale utilizzando un processo chiamato deposizione chimica da vapore. Utilizzando un forno a tubi caldi, riscaldarono alla giusta temperatura una scheggia contenente tungsteno e poi introdussero un vapore contenente tellurio.

"Attraverso la fortuna e trovando esattamente le condizioni giuste, questi elementi reagiranno chimicamente e si uniranno per formare un monostrato, o regioni spesse tre atomi di questo materiale, " ha detto Johnson.

Sebbene questo materiale si degradi estremamente rapidamente in aria, Naylor, il primo autore dell'articolo, escogitò modi per proteggere il materiale in modo che potesse essere studiato prima che fosse distrutto.

Una cosa che i ricercatori hanno scoperto è che il materiale cresce in piccoli cristalliti rettangolari, piuttosto che i triangoli in cui crescono altri materiali.

"Questo riflette la simmetria rettangolare nel materiale, " Johnson ha detto. "Hanno una struttura diversa, quindi tendono a crescere in forme diverse".

Sebbene la ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali e i ricercatori non siano ancora stati in grado di produrre un film continuo, sperano di condurre esperimenti per dimostrare che ha le proprietà elettroniche topologiche previste.

Una proprietà di questi sistemi topologici è che qualsiasi corrente che viaggia attraverso il materiale sarebbe trasportata solo sui bordi, e nessuna corrente viaggerebbe attraverso il centro del materiale. Se i ricercatori fossero in grado di produrre materiali a strato singolo con questa proprietà, potrebbero essere in grado di instradare un segnale elettrico in modo che si spenga in luoghi diversi.

La capacità di questo materiale di avere proprietà multiple potrebbe anche avere implicazioni nell'informatica quantistica, che sfrutta la potenza degli atomi e dei fenomeni subatomici per eseguire calcoli significativamente più velocemente dei computer attuali. Questi materiali 2-D potrebbero consentire una forma di calcolo quantistico intrinsecamente tollerante agli errori chiamata calcolo quantistico topologicamente protetto, che richiede materiali sia semiconduttori che superconduttori.

"Con questi materiali 2-D, vuoi realizzare quante più proprietà fisiche possibili, " Johnson ha detto. "Gli stati elettronici topologici sono interessanti e sono nuovi e quindi molte persone hanno cercato di realizzarli in un materiale 2-D. Abbiamo creato il materiale in cui si prevede che si verifichino, quindi in questo senso ci siamo mossi verso questo grandissimo obiettivo sul campo".