I ricercatori del Center for Functional Nanomaterials (CFN), un Office of Science User Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, e Northrop Grumman, una multinazionale di tecnologia aerospaziale e di difesa, hanno trovato un modo per mantenere la polarizzazione della valle a temperatura ambiente utilizzando nuovi materiali e tecniche.
Questa scoperta potrebbe portare a dispositivi in grado di archiviare ed elaborare le informazioni in modi nuovi senza la necessità di mantenerli a temperature ultra-basse. La loro ricerca è stata recentemente pubblicata su Nature Communications .
Uno dei percorsi esplorati per realizzare questi dispositivi è un campo relativamente nuovo chiamato "valleytronics". La struttura a bande elettroniche di un materiale – la gamma dei livelli di energia nelle configurazioni elettroniche di ciascun atomo – può aumentare o diminuire. Questi picchi e avvallamenti sono conosciuti come "valli". Alcuni materiali hanno più valli con la stessa energia. Un elettrone in un sistema come questo può occupare una qualsiasi di queste valli, presentando un modo unico per archiviare ed elaborare le informazioni in base alla valle occupata dall'elettrone.
Una sfida, tuttavia, è stata lo sforzo e la spesa per mantenere le basse temperature necessarie per mantenere stabile la polarizzazione della valle. Senza questa stabilità, i dispositivi inizierebbero a perdere informazioni. Per rendere una tecnologia come questa fattibile per applicazioni pratiche e convenienti, gli esperti dovrebbero trovare un modo per aggirare questo vincolo.
I dichalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) sono materiali interessanti, stratificati che possono avere, nel loro spessore più sottile, solo pochi atomi. Ogni strato del materiale è costituito da un foglio bidimensionale (2D) di atomi di metalli di transizione inseriti tra atomi di calcogeno. Mentre il metallo e il calcogeno sono fortemente legati da legami covalenti in uno strato, gli strati adiacenti sono solo debolmente legati dalle interazioni di van der Waal. I deboli legami che tengono insieme questi strati consentono ai TMD di essere esfoliati fino a formare un monostrato spesso solo una “molecola”. Questi vengono spesso definiti materiali 2D.
Il team del CFN ha sintetizzato cristalli singoli di perovskiti chirali agli alogenuri di piombo (R/S-NEAPbI3 ). La chiralità descrive un insieme di oggetti, come le molecole, che sono l'immagine speculare l'uno dell'altro ma non possono essere sovrapposti. Deriva dalla parola greca "mani", un perfetto esempio di chiralità. Le due forme sono identiche, ma se metti una mano sopra l'altra non si allineeranno. Questa asimmetria è importante per controllare la polarizzazione della valle.
Scaglie di questo materiale, spesse circa 500 nanometri o cinquemillesimi dello spessore di un capello umano, sono state stratificate su un monostrato di bisolfuro di molibdeno (MoS2 ) TMD per creare quella che è nota come eterostruttura. Combinando diversi materiali 2D con proprietà che influenzano il trasferimento di carica all'interfaccia tra i due materiali, queste eterostrutture aprono un mondo di possibilità.
Dopo aver creato e caratterizzato questa eterostruttura, il team era ansioso di vedere come si comportava.
"Le TMD hanno due valli con la stessa energia", ha spiegato Shreetu Shrestha, ricercatore post-dottorato presso il CFN e autore di questo articolo. "Un elettrone può trovarsi in una valle o nell'altra, il che gli conferisce un ulteriore grado di libertà. Le informazioni possono quindi essere archiviate in base alla valle occupata dall'elettrone."
Per ottenere un quadro migliore del comportamento del materiale, il team ha sfruttato gli strumenti della struttura di spettroscopia e microscopia ottica avanzata del CFN. Gli scienziati hanno utilizzato un laser polarizzato linearmente per eccitare l'eterostruttura che hanno fabbricato e quindi hanno misurato la luce emessa dal TMD al disolfuro di molibdeno utilizzando un microscopio confocale. Hanno eseguito lo stesso processo con un TMD a cui non era stato aggiunto lo strato di perovskite di alogenuro di piombo chirale.
Durante questi esperimenti avanzati, i ricercatori hanno notato qualcosa di interessante nel modo in cui veniva emessa la luce. L'eterostruttura aveva un'emissione inferiore rispetto al TMD nudo. I ricercatori hanno attribuito questo comportamento alla carica trasferita dal TMD alla perovskite nell’eterostruttura. Utilizzando la spettroscopia ultraveloce, i ricercatori hanno scoperto che la carica si trasferisce molto rapidamente, solo pochi trilionesimi di secondo.
Il team ha anche scoperto che l’intensità delle componenti polarizzate circolarmente sinistra e destra della luce emessa dipende dalla manualità della perovskite chirale utilizzata. La natura chirale della perovskite agiva come un filtro per gli elettroni con spin diverso. A seconda della mano della perovskite chirale, gli elettroni che ruotano verso l'alto o verso il basso venivano trasferiti preferenzialmente da una valle rispetto agli elettroni con spin opposto nell'altra valle. Questo fenomeno consentirebbe ai ricercatori di popolare selettivamente le valli e di utilizzare la loro occupazione nello stesso modo in cui i transistor attuali sui computer memorizzano gli 1 e gli 0 dei bit binari.
"Un punto importante da evidenziare in questo esperimento è che questi risultati sono stati ottenuti a temperatura ambiente, che è dove dovrebbe muoversi l'intero campo", ha affermato Mircea Cotlet, scienziato dei materiali presso Brookhaven Lab e ricercatore principale del progetto. "Mantenere l'hardware alle basse temperature utilizzate in passato è molto più complesso e costoso. È incoraggiante vedere questo tipo di proprietà dei materiali a temperatura ambiente."
Sebbene la ricerca su Valleytronics sia ancora in una fase iniziale, i ricercatori stanno già pensando a possibili applicazioni. Questa tecnologia potrebbe migliorare i dispositivi esistenti in modi sorprendenti, espandendo le capacità dei computer classici, ma potrebbe anche essere un componente dell'hardware del futuro.
"Ciò contribuirebbe a rendere l'informatica classica più efficiente", ha affermato Shrestha, "ma questa tecnologia potrebbe anche essere sfruttata per la scienza dell'informazione quantistica, che include l'informatica quantistica, o anche il rilevamento quantistico. Questi materiali atomicamente sottili hanno proprietà quantistiche uniche, che dovremmo essere studiate. in grado di trarne vantaggio."
Promuovere la collaborazione e l'innovazione
Gli utenti e i collaboratori del CFN provengono da una vasta gamma di settori del mondo accademico, della ricerca e dell'industria. Questo esperimento ha coinvolto il contributo di un collaboratore di lunga data della società americana globale di tecnologia aerospaziale e di difesa Northrop Grumman. Nel 2021, l'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili (EERE) del DOE ha assegnato a CFN un finanziamento per collaborare con Northrop Grumman attraverso il programma Technologist in Residence (TIR). Il programma TIR unisce personale tecnico senior dei laboratori nazionali e dell'industria per condurre ricerca e sviluppo. Programmi come questo rafforzano le relazioni nazionali tra laboratori e industria, promuovendo al contempo l'innovazione nel settore manifatturiero statunitense e promuovendo la crescita economica e la sicurezza energetica.
"Le nostre collaborazioni con Northrop Grumman e Don DiMarzio risalgono al 2015", ha affermato Cotlet. "Abbiamo un interesse comune per i materiali 2D, in particolare per il modo in cui contribuiranno a creare la prossima generazione di computer. È incoraggiante avere l'esperienza di così tante persone diverse qui sotto lo stesso tetto. Siamo una struttura utente con accesso a una varietà di tecnologie avanzate." strumenti e tecniche finali che ci danno la capacità di mettere insieme tutte queste informazioni."
Questo lavoro ha inoltre consentito a Shrestha e Cotlet di espandere la continua ricerca che entrambi hanno svolto sui TMD e sul trasferimento di carica.
"Avevo lavorato con le perovskiti durante il mio dottorato di ricerca e la mia prima posizione post-dottorato", ha affermato Shrestha, "quindi siamo stati in grado di combinare la mia esperienza in quell'area con l'esperienza di Mircea nei TMD e negli strumenti ottici di cui disponiamo nell'Advanced Optical di CFN". Centro di spettroscopia e microscopia per scoprire qualcosa di promettente. Ero anche entusiasta di lavorare con Suji Park e Xiao Tong del CFN e Mingxing Li, uno scienziato che in precedenza aveva lavorato con CFN e ora lavora con Innovare.
"Questo tipo di comprensione non sarebbe possibile senza uno sforzo collettivo e senza l'accesso a tutte queste strutture di fascia alta sotto un unico tetto. Sono entusiasta di vedere dove porterà questo lavoro e non vedo l'ora di contribuire con maggiori informazioni ai materiali 2D di CFN programma."
Ulteriori informazioni: Shreetu Shrestha et al, Polarizzazione della valle a temperatura ambiente tramite trasferimento di carica selettivo di spin, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
