Cosa potremmo fare con strutture a strati con gli strati giusti? Quali sarebbero le proprietà dei materiali se potessimo davvero disporre gli atomi nel modo in cui li vogliamo?

Il curioso fisico americano Richard Feynman ha posto queste domande nella sua storica conferenza del 1959, C'è un sacco di spazio in fondo. Era pieno di idee profonde sulla "manipolazione e controllo delle cose su scala atomica", utilizzando la meccanica quantistica.

Inverosimile all'epoca, ora la manipolazione di strati di atomi è un'importante area di ricerca. Per realizzare la visione di Feynman, i ricercatori dell'IBM e dei Bell Labs negli Stati Uniti hanno dovuto escogitare un nuovo approccio alla costruzione dei materiali strato per strato:l'epitassia a fascio molecolare o MBE.

Questo può essere paragonato alla verniciatura a spruzzo con atomi. Si inizia vaporizzando materiali di origine ultrapuri come il gallio, alluminio o indio, e combinarli con simili di arsenico o fosforo. Gli atomi vaporizzati volano attraverso una camera a vuoto verso uno strato di base fatto di materiali simili. Gli atomi si attaccano ad esso e costruiscono lentamente uno strato atomico di cristallo alla volta. L'ultra alto vuoto assicura che le impurità siano minime.

Architetti atomici

Sebbene il processo sia relativamente lento, in genere solo pochi strati atomici al minuto, la precisione è notevole. Consente ai tecnici di impilare diversi materiali semiconduttori uno sopra l'altro per creare cristalli noti come eterostrutture, che può avere proprietà estremamente utili. Impilando alternativamente strati di arseniuro di alluminio e arseniuro di gallio, Per esempio, potresti produrre un materiale estremamente efficace nell'immagazzinare elettricità.

Una volta che questa tecnica era stata perfezionata negli anni '90 e 2000, gli scienziati sono stati in grado di controllare il numero di elettroni e le loro energie in un particolare cristallo. E poiché la luce poi interagisce con questi elettroni, avere un maggiore controllo sul comportamento degli elettroni significa anche ottenere un maggiore controllo su come vengono stimolati dalla luce.

Le eterostrutture hanno portato a molte nuove scoperte, in particolare per quanto riguarda il comportamento quantistico di particelle come gli elettroni al loro interno. I premi Nobel per la fisica sono stati assegnati cinque volte separate (1973, 1985, 1998, 2000, e 2014), ei materiali risultanti hanno rivoluzionato la civiltà.

Le eterostrutture a semiconduttore consentono alle celle solari, LED, laser e transistor ultraveloci. Anche Internet sarebbe altrimenti impossibile:i laser che inviano gli impulsi luminosi che codificano i bit di informazione online sono costituiti da eterostrutture, così come i fotorivelatori che misurano questi impulsi luminosi e decodificano le informazioni.

Ci sono restrizioni, però. La dimensione atomica, la distanza e la disposizione di queste eterostrutture non possono essere troppo dissimili tra gli strati senza che sorgano difetti. Ciò limita le possibili combinazioni di materiali e la possibilità di progettare liberamente le proprietà elettroniche e ottiche.

Anche, i cristalli sono naturalmente costituiti da atomi che formano legami in tutte e tre le direzioni. Ciò significa che ci sono sempre atomi insoddisfatti con legami "pendenti" ai bordi. Le impurità estranee cercano questi legami e creano difetti che possono distruggere altre proprietà. Questo diventa particolarmente importante con cristalli più piccoli, impedendo loro di essere pienamente integrati nei moderni transistor, laser e così via.

Inserisci i cristalli 2-D

Il massimo in fogli di materiali ultrasottili è un singolo strato di atomi. Fortunatamente, la natura ha ideato tali "cristalli bidimensionali". Il più famoso è il grafene, che sono solo atomi di carbonio disposti in uno schema esagonale.

Il grafene è più forte dell'acciaio e conduce l'elettricità meglio del rame. Ha molti elementi elettronici unici e talvolta esotici, proprietà ottiche e meccaniche – come riconosciuto dal Premio Nobel per la Fisica per la sua scoperta nel 2010.

In un perfetto cristallo di grafene, tutti gli atomi sono completamente legati l'uno all'altro e non ci sono legami penzolanti. È notoriamente possibile produrre grafene staccando strati di grafite usando lo scotch:la grafite è in realtà molti strati di grafene tenuti insieme dalle forze di Van der Waals, che sono molto più deboli dei legami in ciascun foglio costituente di grafene.

Oltre al grafene, ci sono molti altri cristalli 2-D, ciascuno con proprietà uniche. Molti si presentano naturalmente come gemme nel terreno, come il bisolfuro di molibdeno, un importante lubrificante industriale. Altri possono essere realizzati mediante epitassia a fascio molecolare, come l'isolante nitruro di boro, e cristalli nella stessa famiglia di dicalcogenuri di metalli di transizione come disolfuro di molibdeno.

Come il grafene sta alla grafite, gli scienziati "staccano" (o esfoliano) singoli fogli 2-D da grandi quantità di questi composti. La sottigliezza intrinseca di questi fogli significa che possono comportarsi in modo molto diverso dalle eterostrutture descritte in precedenza. Diversi materiali atomicamente sottili possono essere isolanti, semiconduttori, metallico, magnetici o addirittura superconduttori.

Gli scienziati sono anche in grado di scegliere, posizionare e combinare questi materiali a piacimento per formare nuove eterostrutture, note come eterostrutture di Van der Waals, con proprietà diverse dai fogli 2D. In modo cruciale, questi non hanno le stesse limitazioni dei loro cugini fatti dall'epitassia del fascio molecolare. Possono comprendere strati di cristalli atomici molto diversi, consentendo possibilità senza precedenti e illimitate di combinare materiali diversi.

Per esempio, è possibile combinare strati magnetici con semiconduttori e isolanti senza attirare contaminanti come umidità o ossidi tra gli strati – impossibile con eterostrutture epitassiali. Questo può essere usato per creare dispositivi che controllano il magnetismo usando l'elettricità, che è la base per la memoria magnetica nei dischi rigidi.

Puoi anche impilare insieme due strati atomici identici con uno ruotato ad angolo. Questo crea un reticolo chiamato motivo moiré, che fornisce un nuovo grado di libertà per progettare le proprietà elettroniche e ottiche. Le immagini che stiamo usando per dimostrarlo all'attuale Royal Society Summer Exhibition a Londra danno un assaggio di come funziona:

Mentre le eterostrutture di Van der Waals sono ancora agli inizi, stanno già emergendo nuove fisiche e capacità impressionanti. Questi includono più piccoli, accendino, versioni più flessibili ed efficienti delle celle solari, LED, transistor e memoria magnetica.

In futuro, possiamo aspettarci sorprese prima non sognate. Un primo esempio è la recente scoperta che quando si torcono due strati di grafene con un "angolo magico" l'uno rispetto all'altro, gli elettroni diventano superconduttori. Questa svolta, non ancora chiaramente compreso, potrebbe svelare misteri vecchi di 30 anni su come gli elettroni possono navigare nei superconduttori senza perdere energia. Potrebbe permetterci di usare superconduttori a temperatura ambiente, con potenziali benefici per tutto, dall'imaging medico e computer quantistici alla trasmissione di elettricità su lunghe distanze.

Prevedere i risultati tecnologici non è facile, però. Come Herbert Kroemer, che ha condiviso il Premio Nobel nel 2000 per lo sviluppo di eterostrutture a semiconduttore utilizzate nell'alta velocità e nell'optoelettronica, diceva spesso:"Le principali applicazioni di qualsiasi tecnologia sufficientemente nuova e innovativa sono sempre state e continueranno ad essere applicazioni create da quella tecnologia".

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.