Il grafene è un materiale costituito da atomi di carbonio dello spessore di uno strato, disposti in una struttura a nido d'ape. È stato usato per rendere i materiali più forti, creare componenti ad altissima frequenza per le comunicazioni, aumentare le prestazioni della batteria e persino utilizzato per eseguire test COVID-19. È l'archetipo del materiale bidimensionale (2D), ma c'è molto di più nei materiali 2D del grafene.

Poiché il grafene è stato isolato per la prima volta nel 2004, la ricerca si è allargata alla creazione di altri, materiali 2D non carboniosi. Ora ce ne sono molte decine, e sono acclamati per avere un impatto dove il grafene è meno adatto, come nei nuovi transistor e nei dispositivi optoelettronici di prossima generazione, che generano, rilevare e controllare la luce.

Il nostro recente studio si è concentrato su una nuova forma del materiale 2D disolfuro di tungsteno (WS2), che è sia 2D che 3D. WS2 è un semiconduttore, lo stesso del silicio, che si trova in quasi tutti i dispositivi elettronici. Però, a differenza del silicio, WS2 può esistere in una forma 2D stabile. Abbiamo organizzato il materiale WS2 in un modo nuovo per creare una disposizione 3D di fogli 2D che chiamiamo nanomesh.

Il nanomesh WS2 raddoppia la frequenza e dimezza la lunghezza d'onda della luce laser, cambiandone il colore mentre lo fa, con grande efficienza. Ciò significa che potrebbe essere utile nei componenti per le comunicazioni quantistiche che utilizzano la luce, dove è sempre possibile rilevare tentativi di "intercettazione" dei messaggi. La luce è importante nelle comunicazioni quantistiche perché le particelle di luce, chiamati fotoni, può essere utilizzato per trasportare informazioni. Quando due fotoni sperimentano qualcosa chiamato entanglement quantistico, tutto ciò che accade a uno di loro è immediatamente osservabile nell'altro, non importa quanto siano distanti.

La comunicazione quantistica ha il potenziale per fornire comunicazioni veramente sicure in tutto il mondo. Usando la bizzarra proprietà dell'entanglement, è possibile progettare un sistema in modo che quando un segnale viene intercettato, il mittente lo sa immediatamente.

Finora molti dei tentativi di creare comunicazioni quantistiche hanno utilizzato la luce laser. Ma per fare questo abbiamo bisogno di un modo efficiente per controllare la luce. Questo potrebbe essere fatto potenzialmente con materiali 2D.

Confinamento bidimensionale

Nei materiali 2D, gli elettroni possono muoversi in due dimensioni ma il loro movimento nella terza dimensione è limitato. Questo confinamento conferisce ai materiali 2D proprietà interessanti che significano che mostrano grandi promesse come dispositivi ultrasottili per l'IT, comunicazioni, rilevamento, energia, imaging e calcolo quantistico. Per molte di queste applicazioni, i materiali 2D, che sono spesse solo un atomo, sdraiarsi su una superficie di appoggio.

Sfortunatamente, però, la forza di questi materiali, che sono estremamente sottili, è anche la loro più grande debolezza. Ciò significa che quando sono illuminati, la luce visibile può interagire con essi solo su uno spessore minimo e l'effetto risultante è debole. Per superare questo, ricercatori come me stanno iniziando a cercare nuovi modi per impacchettare i materiali 2D in complesse strutture 3D.

Nanomesh

Il mio dottorato studente e io abbiamo creato una rete 3D a rete di fitte, pile distribuite casualmente, contenente fogli 2D ruotati e fusi chiamati nanomesh. Le sue caratteristiche uniche sono il risultato dello specifico processo di sintesi che abbiamo sviluppato. Abbiamo iniziato coltivando nanotubi unidimensionali (fogli arrotolati) di WS2, come un'impalcatura. Questi sono naturalmente riempiti con un materiale da cui i fogli WS2 potrebbero crescere sulle punte dei nanotubi e sui loro lati, ruotati uno sopra l'altro e dispiegati come un ventaglio. Questi fogli si sono poi fusi tra loro per creare fogli 2D più grandi che si intersecano in 3D per creare la nanomesh.

All'interno di un semiconduttore ci sono bande di energia, separati da un gap energetico. Solo la luce con energia maggiore del gap energetico può interagire in modo utile con il materiale. Se vengono introdotti nuovi livelli di energia all'interno di questo gap energetico, il raddoppio della frequenza della luce che attraversa il materiale è molto più efficiente e può avvenire su una gamma più ampia di lunghezze d'onda. Questo è esattamente ciò che ottiene la nostra nanomaglia, cambia il panorama energetico:le bande energetiche, gap energetici e livelli di energia all'interno del gap—del materiale.

Le misurazioni dei miei colleghi del gruppo di fotonica hanno dimostrato che il materiale nanomesh converte effettivamente in modo efficiente un colore laser in un altro su un'ampia tavolozza di colori. Rispetto agli strati WS2 distesi, la nanomesh è altamente efficiente e risponde a un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce, pur essendo anche durevole e in grado di essere coltivato su vaste aree.

Il nostro studio è la prova che l'assemblaggio di materiali 2D in una disposizione 3D non si traduce solo in materiali 2D più spessi con cui la luce interagisce più fortemente, ma produce materiali con proprietà completamente nuove.

La nanorete che abbiamo realizzato è tecnologicamente semplice da produrre su larga scala, e offre interazione con la luce che può essere sintonizzata. Il materiale potrebbe essere ulteriormente evoluto, ad esempio includendo piccole nanoparticelle metalliche o depositando un secondo materiale. Tali ibridi offrirebbero ulteriori modi per cambiare la luce laser che li attraversa.

Il nostro prossimo obiettivo è incorporare la nanorete in dispositivi che trasmettono e modificano la luce e che possono essere integrati con la microelettronica tradizionale. Questa è una strada per lo sviluppo di comunicazioni ottiche quantistiche pratiche.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.