I ricercatori dell'Università dell'Arkansas hanno studiato le caratteristiche ottiche di uno speciale tipo di materiale costituito da un singolo strato di atomi di fosforo con il vantaggio di rilevare e interagire con la luce infrarossa, che è invisibile non solo all'occhio umano ma a molti altri materiali proposti per l'uso nei sistemi optoelettronici.
Tali sistemi si sforzano di utilizzare la luce insieme agli elettroni per accelerare l'elaborazione e ridurre il riscaldamento e altri sprechi di energia nella nostra pletora in continua crescita di dispositivi computazionali.
Il gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica ha pubblicato le sue scoperte in un recente numero di Rapporti scientifici , una rivista degli editori di Nature, contribuendo a far progredire la comprensione del fosforo nero come materiale otticamente utile. Lo studente di dottorato in fisica Desalegn Debu è stato il primo autore di questo lavoro teorico e computazionale intitolato Tuning Infrared Plasmon Resonance of Black Phosphorene Nanoribbon with a Dielectric Interface. Altri autori includono Stephen Bauman e David French, studenti laureati dell'Università dell'Arkansas; e Hugh Churchill e Joseph Herzog, Professori a contratto presso il Dipartimento di Fisica.
Simile a una spruzzata di sassolini che fa muovere le onde sulla superficie di uno stagno, la luce che brilla su un materiale plasmonico fa sì che gli elettroni si muovano avanti e indietro sulla superficie. Questa ondata di elettroni, noto come plasmone, può essere accordato come uno strumento musicale per oscillare più fortemente per determinate frequenze (colori) della luce, rendendoli utili per applicazioni che abbracciano gran parte dello spettro di segnali visibili e invisibili. La messa a punto è la chiave per l'uso di materiali plasmonici per applicazioni specifiche, proprio come accordare uno strumento musicale è fondamentale per creare la nota desiderata.
Materiali bidimensionali come grafene, un foglio di carbonio con spessore di un singolo atomo, hanno sperimentato molto clamore nel mondo scientifico negli ultimi dieci anni. Offrono la possibilità di ridurre le dimensioni dei vari componenti optoelettronici fino allo spessore di singoli atomi, oltre a sfruttare proprietà fisiche uniche. Sebbene il grafene sia stato il "figlio manifesto" dei materiali 2-D e potrebbe ancora promettere miglioramenti nell'elettronica, forza materiale, o tecnologia basata sulla luce, non è perfetto. Il grafene manca di quello che viene chiamato un bandgap, una proprietà determinante dei semiconduttori. Questa limitazione del grafene viene aggirata esaminando altri materiali che offrono strutture superiori, elettrico, termico, o proprietà ottiche. Fosforo nero, che ha una struttura ondulata di atomi di fosforo con due diverse direzioni cristalline, offre vantaggi unici rispetto ad altre opzioni precedentemente studiate.
Lo studio condotto da Debu e dai suoi colleghi indaga gli effetti teorici del cambiamento delle proprietà dei materiali nell'area che circonda un foglio di fosforo nero. I risultati dimostrano che la lunghezza d'onda della luce assorbita dal materiale può essere sintonizzata modificando il materiale circostante. Lo studio ha anche migliorato la comprensione della natura plasmonica di questo materiale quando è modellato in nastri su scala nanometrica con diverse larghezze. Combinando i parametri di sintonizzazione della larghezza del nanonastro e dei media circostanti, il fosforo nero può diventare un materiale molto utile per le applicazioni che coinvolgono la luce infrarossa. Un ulteriore vantaggio del fosforo nero è che le sue due diverse direzioni cristalline consentono alla luce di interagire in modo diverso con gli elettroni sulla superficie a seconda dell'orientamento delle onde luminose utilizzate nell'applicazione.
