Quando gli elettroni sono confinati in spazi molto piccoli, possono esibire elettricità insolita, comportamento ottico e magnetico. Dal confinamento degli elettroni in un foglio atomico bidimensionale di grafene - un'impresa che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2010 - al restringere ulteriormente gli elettroni per raggiungere l'unidimensionalità, questa vasta linea di ricerca sta trasformando il panorama della ricerca fondamentale e dei progressi tecnologici in fisica, chimica, raccolta di energia, informazioni e non solo.

In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un team internazionale guidato dai ricercatori della Aalto University ha scoperto che il fosforo rosso fibroso, quando gli elettroni sono confinati nelle sue sottounità unidimensionali, può mostrare grandi risposte ottiche, cioè il materiale mostra una forte fotoluminescenza sotto irraggiamento luminoso. Fosforo rosso, come il grafene, appartiene a un gruppo unico di materiali chiamati materiali van der Waals (1D vdW) unidimensionali. Un materiale vdW 1D è un tipo di materiale radicalmente nuovo che è stato scoperto solo nel 2017. Fino ad ora, la ricerca sui materiali 1vdW si è concentrata sulle proprietà elettriche.

Il team ha scoperto le proprietà ottiche del fosforo rosso fibroso 1D vdW attraverso misurazioni come la spettroscopia di fotoluminescenza, dove hanno puntato la luce laser sui campioni e misurato il colore e la luminosità della luce emessa. I risultati mostrano che il materiale 1D vdW dimostra risposte ottiche lineari e non lineari anisotrope giganti, in altre parole, le risposte ottiche dipendono fortemente dall'orientamento del cristallo fibroso di fosforo, nonché dall'intensità di emissione, che si riferisce al numero di fotoni emessi durante un tempo specifico.

"Il modo in cui ha risposto negli esperimenti rende il fosforo rosso fibroso 1D vdW un materiale davvero eccitante. Ad esempio, mostra sia risposte lineari e non lineari anisotrope giganti, sia intensità di emissione, che colpisce, "dice il dottor Luojun Du, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Aalto.

La fotoluminescenza del materiale, l'effetto comunemente riscontrato nella vita di tutti i giorni nelle insegne riflettenti o nei giocattoli fosforescenti per bambini, quando la luce viene emessa dopo l'assorbimento, ha colto di sorpresa anche i ricercatori. Il team ha confrontato la fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso con il disolfuro di molibdeno monostrato (MoS2), che è ben noto per la sua forte fotoluminescenza, e ha scoperto che l'intensità della fotoluminescenza era più di 40 volte più intensa, rendendolo ultra brillante, anche se molto brevemente.

"La forte fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso è inaspettata. Infatti, inizialmente ci aspettavamo che la fotoluminescenza del fosforo rosso fibroso fosse solo debole. Sulla base di calcoli teorici, questo effetto non dovrebbe essere effettivamente forte, quindi ora stiamo facendo più esperimenti per chiarire l'origine del suo bagliore successivo, "dice Du.

"Credo che i materiali van der Waals unidimensionali come il fosforo rosso fibroso mostrino una vera promessa per display e altre applicazioni, che si basano su materiali che dimostrano esattamente i comportamenti che abbiamo visto in questo studio. Anche lo spettro della sua risposta ottica anisotropa sembra essere molto ampio se lo confrontiamo con le risposte dei materiali convenzionali, "dice il professor Zhipei Sun, che guida il gruppo dietro lo studio.

Lo studio è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura il 10 agosto 2021.