Gli eccitoni potrebbero rivoluzionare il modo in cui gli ingegneri si avvicinano all'elettronica. Un team di ricercatori dell'EPFL ha creato un nuovo tipo di transistor, uno dei componenti dei circuiti, utilizzando eccitoni invece di elettroni. In particolare, il loro transistor basato su eccitoni funziona efficacemente a temperatura ambiente, un ostacolo finora insormontabile. Hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando due materiali 2-D come semiconduttori. Il loro studio, che è stato pubblicato oggi in Natura , ha numerose implicazioni nel campo dell'eccitonica, una nuova promettente area di studio insieme alla fotonica e alla spintronica.

"La nostra ricerca ha dimostrato che manipolando gli eccitoni, ci siamo imbattuti in un approccio completamente nuovo all'elettronica, "dice Andras Kis, che dirige il Laboratorio di elettronica e strutture su nanoscala (LANES) dell'EPFL. "Stiamo assistendo all'emergere di un campo di studi totalmente nuovo, la cui portata non è ancora nota".

Questa svolta pone le basi per dispositivi optoelettronici che consumano meno energia e sono sia più piccoli che più veloci dei dispositivi attuali. Inoltre, sarà possibile integrare nello stesso dispositivo sistemi di trasmissione ottica e sistemi di elaborazione elettronica dei dati, che ridurrà il numero di operazioni necessarie e renderà i sistemi più efficienti.

Livello di energia più alto

Gli eccitoni sono in realtà quasiparticelle, un termine usato per descrivere l'interazione tra le particelle che compongono una data sostanza piuttosto che la sostanza stessa. Gli eccitoni sono costituiti da un elettrone e da una lacuna elettronica. I due sono legati insieme quando l'elettrone assorbe un fotone e raggiunge un livello di energia più elevato; l'elettrone "eccitato" lascia un buco nel precedente livello di energia, quale, nella teoria delle bande, si chiama banda di valenza. questo buco, anche una quasiparticella, è un'indicazione dell'elettrone mancante in questa banda.

Poiché l'elettrone è caricato negativamente e la lacuna è carica positivamente, le due particelle rimangono legate da una forza elettrostatica. Questo legame tra l'elettrone e la buca è chiamato attrazione di Coulomb. Ed è in questo stato di tensione ed equilibrio che formano un eccitone. Quando finalmente l'elettrone ricade nel buco, emette un fotone. E con ciò, l'eccitone cessa di esistere. Detto più semplicemente, un fotone entra da una parte del circuito ed esce dall'altra; mentre dentro, dà origine a un eccitone che si comporta come una particella.

Doppio successo

Solo di recente i ricercatori hanno iniziato a esaminare le proprietà degli eccitoni nel contesto dei circuiti elettronici. L'energia negli eccitoni è sempre stata considerata troppo fragile e la durata della vita degli eccitoni troppo breve per essere di reale interesse in questo campo. Inoltre, Gli eccitoni potevano essere prodotti e controllati solo in circuiti a temperature estremamente basse (circa -173 gradi C).

La svolta è arrivata quando i ricercatori dell'EPFL hanno scoperto come controllare la durata della vita degli eccitoni e come spostarli. Lo hanno fatto utilizzando due materiali 2-D:diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ) e bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ). "Gli eccitoni in questi materiali mostrano un legame elettrostatico particolarmente forte e, ancora più importante, non si distruggono rapidamente a temperatura ambiente, " spiega Kis.

I ricercatori sono stati anche in grado di allungare significativamente la durata della vita degli eccitoni sfruttando il fatto che gli elettroni hanno sempre trovato la loro strada verso il MoS ₂ mentre i buchi finivano sempre nel WSe ₂ . I ricercatori hanno mantenuto gli eccitoni ancora più a lungo proteggendo gli strati di semiconduttori con nitruro di boro (BN).

"Abbiamo creato un tipo speciale di eccitone, dove i due lati sono più distanti rispetto alla particella convenzionale, " dice Kis. "Questo ritarda il processo in cui l'elettrone ritorna nel foro e viene prodotta luce. È a questo punto, quando gli eccitoni rimangono in forma di dipolo per un po' più a lungo, che possono essere controllati e spostati utilizzando un campo elettrico."