I materiali bidimensionali di van der Waals sono da tempo al centro del lavoro di numerosi gruppi di ricerca. Con uno spessore di pochi strati atomici, queste strutture sono prodotte in laboratorio combinando strati spessi un atomo di materiali diversi (in un processo denominato "Lego atomico"). Le interazioni tra gli strati sovrapposti consentono alle eterostrutture di esibire proprietà che mancano ai singoli costituenti.

Il bisolfuro di molibdeno a due strati è uno di questi materiali di van der Waals, in cui gli elettroni possono essere eccitati utilizzando un'adeguata configurazione sperimentale. Queste particelle caricate negativamente lasciano quindi la loro posizione nella banda di valenza, lasciando dietro di sé un buco caricato positivamente, ed entrano nella banda di conduzione. Date le diverse cariche di elettroni e lacune, i due sono attratti l'uno dall'altro e formano quella che è conosciuta come una quasiparticella. Quest'ultimo è anche indicato come coppia elettrone-lacuna, o eccitone, e può muoversi liberamente all'interno del materiale.

Nel bisolfuro di molibdeno a due strati, l'eccitazione con la luce produce due diversi tipi di coppie elettrone-lacuna:coppie intrastrato, in cui l'elettrone e la lacuna sono localizzati nello stesso strato del materiale, e coppie interstrato, la cui lacuna ed elettrone si trovano in strati diversi e sono quindi spazialmente separati l'uno dall'altro.

Questi due tipi di coppie elettrone-lacuna hanno proprietà diverse:le coppie intrastrato interagiscono fortemente con la luce, in altre parole, brillano molto intensamente. D'altra parte, gli eccitoni interstrato sono molto più deboli ma possono essere spostati su energie diverse e quindi consentono ai ricercatori di regolare la lunghezza d'onda assorbita. A differenza degli eccitoni intrastrato, gli eccitoni interstrato mostrano anche interazioni molto forti e non lineari tra loro e queste interazioni svolgono un ruolo essenziale in molte delle loro potenziali applicazioni.

Unione di proprietà

Ora, i ricercatori del gruppo guidato dal professor Richard Warburton del Dipartimento di Fisica e dello Swiss Nanoscience Institute (SNI) dell'Università di Basilea hanno accoppiato questi due tipi di coppie elettrone-lacuna portando i due a energie simili. Questa convergenza è possibile solo grazie alla regolabilità degli eccitoni interstrato e l'accoppiamento risultante fa sì che le proprietà dei due tipi di coppia elettrone-lacuna si fondano. I ricercatori possono quindi creare particelle fuse su misura che non solo sono molto luminose, ma interagiscono anche molto fortemente tra loro.

"Questo ci consente di combinare le proprietà utili di entrambi i tipi di coppie elettrone-lacuna", spiega Lukas Sponfeldner, uno studente di dottorato presso l'SNI Ph.D. Scuola e primo autore del paper. "Queste proprietà unite potrebbero essere utilizzate per produrre una nuova fonte di singoli fotoni, che sono un elemento chiave della comunicazione quantistica."

Compatibile con i modelli classici

Nel documento, che è stato pubblicato in Physical Review Letters , i ricercatori mostrano anche che questo complesso sistema di coppie elettrone-lacuna può essere simulato utilizzando modelli classici dei campi della meccanica o dell'elettronica.

In particolare, le coppie elettrone-lacuna possono essere descritte in modo molto efficace come masse o circuiti oscillanti. "Queste analogie semplici e generali ci aiutano a comprendere meglio le proprietà fondamentali delle particelle accoppiate, non solo nel bisolfuro di molibdeno ma anche in molti altri sistemi e contesti materiali", spiega il professor Richard Warburton. + Esplora ulteriormente

Un materiale altamente assorbente e modulabile