Un team di ricercatori guidati dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha sviluppato un metodo semplice che potrebbe trasformare i normali materiali semiconduttori in macchine quantistiche, dispositivi supersottili caratterizzati da un comportamento elettronico straordinario. Un tale progresso potrebbe aiutare a rivoluzionare una serie di industrie che mirano a sistemi elettronici efficienti dal punto di vista energetico e fornire una piattaforma per una nuova fisica esotica.

Lo studio che descrive il metodo, che impila insieme strati 2-D di disolfuro di tungsteno e diseleniuro di tungsteno per creare un materiale con motivi complessi, o superlattice, è stato pubblicato di recente online sulla rivista Natura .

"Questa è una scoperta straordinaria perché non pensavamo che questi materiali semiconduttori potessero interagire fortemente, " ha detto Feng Wang, un fisico della materia condensata con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore di fisica all'Università di Berkeley. "Ora questo lavoro ha portato questi semiconduttori apparentemente ordinari nello spazio dei materiali quantistici".

Materiali bidimensionali (2-D), che sono spesse solo un atomo, sono come blocchi di costruzione di dimensioni nanometriche che possono essere impilati arbitrariamente per formare piccoli dispositivi. Quando i reticoli di due materiali 2-D sono simili e ben allineati, può formarsi uno schema ripetuto chiamato superreticolo moiré.

Per l'ultimo decennio, i ricercatori hanno studiato modi per combinare diversi materiali 2-D, spesso a partire dal grafene, un materiale noto per la sua capacità di condurre in modo efficiente calore ed elettricità. Fuori da questo corpo di lavoro, altri ricercatori avevano scoperto che i superreticoli moiré formati con il grafene esibiscono una fisica esotica come la superconduttività quando gli strati sono allineati ad angolo retto.

Il nuovo studio, guidato da Wang, utilizzato campioni 2-D di materiali semiconduttori - disolfuro di tungsteno e diseleniuro di tungsteno - per dimostrare che l'angolo di torsione tra gli strati fornisce una "manopola di sintonizzazione" per trasformare un sistema semiconduttore 2-D in un materiale quantistico esotico con elettroni altamente interagenti.

Entrando in un nuovo regno della fisica

Co-autori principali Chenhao Jin, uno studioso post-dottorato, ed Emma Regan, uno studente laureato ricercatore, entrambi lavorano sotto Wang nell'Ultrafast Nano-Optics Group dell'UC Berkeley, fabbricato i campioni di disolfuro di tungsteno e diseleniuro di tungsteno utilizzando una tecnica a base di polimeri per raccogliere e trasferire scaglie dei materiali, ciascuno misura solo decine di micron di diametro, in una pila.

Avevano fabbricato campioni simili dei materiali per uno studio precedente, ma con i due strati impilati senza un'angolazione particolare. Quando hanno misurato l'assorbimento ottico di un nuovo campione di disolfuro di tungsteno e diseleniuro di tungsteno per lo studio attuale, furono colti completamente di sorpresa.

L'assorbimento della luce visibile in un dispositivo disolfuro di tungsteno/diseleniuro di tungsteno è maggiore quando la luce ha la stessa energia dell'eccitone del sistema, una quasiparticella costituita da un elettrone legato a una lacuna comune nei semiconduttori 2-D. (In fisica, un buco è uno stato attualmente vacante che un elettrone potrebbe occupare.)

Per la luce nell'intervallo di energia che i ricercatori stavano considerando, si aspettavano di vedere un picco nel segnale che corrispondeva all'energia di un eccitone.

Anziché, hanno scoperto che il picco originale che si aspettavano di vedere si era diviso in tre diversi picchi che rappresentano tre distinti stati eccitonici.

Cosa potrebbe aver aumentato il numero di stati di eccitone nel dispositivo disolfuro di tungsteno/tungsteno da uno a tre? Era l'aggiunta di un superreticolo moiré?

Per scoprirlo, i loro collaboratori Aiming Yan e Alex Zettl hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, una struttura di ricerca scientifica su nanoscala, per acquisire immagini a risoluzione atomica del dispositivo disolfuro di tungsteno/diseleniuro di tungsteno per verificare come erano allineati i reticoli dei materiali.

Le immagini TEM hanno confermato ciò che avevano sempre sospettato:i materiali avevano infatti formato un superreticolo moiré. "Abbiamo visto bello, pattern ripetuti su tutto il campione, " ha detto Regan. "Dopo aver confrontato questa osservazione sperimentale con un modello teorico, abbiamo scoperto che il modello moiré introduce periodicamente una grande energia potenziale sul dispositivo e potrebbe quindi introdurre fenomeni quantistici esotici".

I ricercatori hanno in programma di misurare come questo nuovo sistema quantistico potrebbe essere applicato all'optoelettronica, che riguarda l'uso della luce nell'elettronica; valletronica, un campo che potrebbe estendere i limiti della legge di Moore miniaturizzando i componenti elettronici; e superconduttività, che consentirebbe agli elettroni di fluire in dispositivi praticamente senza resistenza.