Senza elettronica e fotonica, non ci sarebbero computer, smartphone, sensori, o tecnologie dell'informazione e della comunicazione. Negli anni a venire, il nuovo campo della fononica potrebbe ampliare ulteriormente queste opzioni. Quel campo riguarda la comprensione e il controllo delle vibrazioni reticolari (fononi) nei solidi. Per realizzare dispositivi fononici, però, le vibrazioni del reticolo devono essere controllate con la stessa precisione che comunemente si realizza nel caso di elettroni o fotoni.

cristalli fononici

L'elemento fondamentale per un tale dispositivo è un cristallo fononico, una struttura fabbricata artificialmente in cui proprietà quali rigidità, la massa o lo stress meccanico variano periodicamente. I dispositivi fononici sono utilizzati come guide d'onda acustiche, lenti fononiche, e scudi antivibranti e potrebbero realizzare Qubit meccanici in futuro. Però, fino ad ora, questi sistemi operavano a frequenze vibrazionali fisse. Non era possibile cambiare i loro modi vibrazionali in maniera controllata.

Schema di fori periodici nel grafene

Ora, per la prima volta, un team della Freie Universität Berlin e HZB ha dimostrato questo controllo. Hanno usato il grafene, una forma di carbonio in cui gli atomi di carbonio si interconnettono bidimensionalmente per formare una struttura piatta a nido d'ape. Utilizzando un fascio focalizzato di ioni di elio, il team è stato in grado di ritagliare uno schema periodico di fori nel grafene. Questo metodo è disponibile presso CoreLab CCMS (microscopia correlativa e spettroscopia). "Abbiamo dovuto ottimizzare molto il processo per tagliare uno schema regolare di fori nella superficie del grafene senza toccare i fori vicini, "Dott.ssa Katja Höflich, capogruppo al Ferdinand-Braun-Institut di Berlino e scienziato ospite all'HZB, spiega.

Bandgap e sintonizzabilità

Jan N. Kirchhof, primo autore dello studio ora pubblicato in Nano lettere , calcolato le proprietà vibrazionali di questo cristallo fononico. Le sue simulazioni mostrano che in una certa gamma di frequenze non sono ammessi modi vibrazionali. Analoghi alla struttura elettronica a bande nei solidi, questa regione è una banda proibita meccanica. Questo gap di banda può essere utilizzato per localizzare le singole modalità per proteggerle dall'ambiente. Cosa c'è di speciale qui:"La simulazione mostra che possiamo sintonizzare il sistema fononico in modo rapido e selettivo, da 50 megahertz a 217 megahertz, tramite pressione meccanica applicata, indotto da una tensione di gate." afferma Jan Kirchhof.

Applicazioni future

"Speriamo che i nostri risultati spingano ulteriormente il campo della fononica. Ci aspettiamo di scoprire alcuni fisici fondamentali e sviluppare tecnologie che potrebbero portare all'applicazione, ad esempio, nei fotosensori ultrasensibili o persino nelle tecnologie quantistiche, " spiega il prof. Kirill Bolotin, responsabile del gruppo di lavoro FU. Nel suo gruppo sono già in corso i primi esperimenti sui nuovi cristalli fononici di HZB.