Stratificando diversi materiali bidimensionali, i fisici dell'Università di Basilea hanno creato una nuova struttura con la capacità di assorbire quasi tutta la luce di una lunghezza d'onda selezionata. Il risultato si basa su un doppio strato di bisolfuro di molibdeno. Le particolari proprietà della nuova struttura la rendono candidata per applicazioni in componenti ottici o come sorgente di singoli fotoni, che svolgono un ruolo chiave nella ricerca quantistica. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura .

I nuovi materiali bidimensionali sono attualmente un argomento di ricerca caldo in tutto il mondo. Di particolare interesse sono le eterostrutture di van der Waals, che sono costituiti da singoli strati di materiali diversi tenuti insieme dalle forze di van der Waals. Le interazioni tra i diversi strati possono conferire al materiale risultante proprietà completamente nuove.

Il doppio strato sblocca proprietà cruciali

Esistono già eterostrutture van der Waals che assorbono fino al 100% della luce. I singoli strati di bisolfuro di molibdeno offrono capacità di assorbimento in questa gamma. Quando la luce viene assorbita, un elettrone lascia la sua posizione originale nella banda di valenza, lasciando dietro di sé un foro carico positivamente. L'elettrone si sposta a un livello di energia superiore, nota come banda di conduzione, dove può muoversi liberamente.

La lacuna risultante e l'elettrone sono attratti l'uno dall'altro secondo la legge di Coulomb, dando luogo a coppie elettrone-lacuna legate che rimangono stabili a temperatura ambiente. Però, con il bisolfuro di molibdeno monostrato non c'è modo di controllare quali lunghezze d'onda della luce vengono assorbite. "È solo quando viene aggiunto un secondo strato di bisolfuro di molibdeno che otteniamo la sintonizzabilità, una proprietà essenziale ai fini dell'applicazione, " spiega il professor Richard Warburton del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute.

Assorbimento e accordabilità

Lavorando in stretta collaborazione con ricercatori in Francia, Warburton e il suo team sono riusciti a creare una struttura del genere. I fisici hanno utilizzato un doppio strato di bisolfuro di molibdeno inserito tra un isolante e il conduttore elettrico grafene su ciascun lato.

"Se applichiamo una tensione agli strati esterni di grafene, questo genera un campo elettrico che influisce sulle proprietà di assorbimento dei due strati di bisolfuro di molibdeno, " spiega Nadine Leisgang, uno studente di dottorato nel team di Warburton e autore principale dello studio. "Regolando la tensione applicata, possiamo selezionare le lunghezze d'onda alle quali si formano le coppie elettrone-lacuna in questi strati".

Richard Warburton aggiunge, "Questa ricerca potrebbe aprire la strada a un nuovo approccio allo sviluppo di dispositivi optoelettronici come i modulatori". I modulatori vengono utilizzati per modificare selettivamente l'ampiezza di un segnale. Un'altra potenziale applicazione è la generazione di singoli fotoni, con importanti implicazioni per la tecnologia quantistica.