Il termine bisolfuro di molibdeno può sembrare familiare ad alcuni automobilisti e meccanici. Non c'è da stupirsi:la sostanza, scoperta dal chimico statunitense Alfred Sonntag negli anni '40, viene utilizzata ancora oggi come lubrificante ad alte prestazioni in motori e turbine, ma anche per bulloni e viti.
Ciò è dovuto alla speciale struttura chimica di questo solido, i cui singoli strati di materiale sono facilmente spostabili l'uno rispetto all'altro. Tuttavia, il disolfuro di molibdeno (chimicamente MoS2 ) non solo lubrifica bene, ma è anche possibile esfoliare un singolo strato atomico di questo materiale o farlo crescere sinteticamente su scala wafer.
L'isolamento controllato di un MoS2 Il monostrato è stato realizzato solo pochi anni fa, ma è già considerato una svolta nella scienza dei materiali con un enorme potenziale tecnologico. Il team dell'Empa ora vuole lavorare proprio con questa classe di materiali.
La struttura a strati dei singoli strati atomici rende questo materiale interessante per i fisici alla ricerca di materiali di base per i nanocomputer di prossima generazione. MoS2 - e i suoi parenti chimici chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) - sono una delle principali "stelle cadenti" in un'intera gamma di materiali bidimensionali (2D).
I TMD sono semiconduttori 2D e hanno un gap di banda diretto, ma solo come strato singolo, il che li rende particolarmente attraenti per i circuiti integrati miniaturizzati o i rilevatori ottici di ultima generazione. Anche le robuste proprietà meccaniche quantistiche dei materiali 2D vengono esplorate intensamente per l'uso nella metrologia quantistica, nella crittografia quantistica e nella tecnologia dell'informazione quantistica.
Ma non conta solo il materiale di base, ma soprattutto anche la capacità di gestire i difetti:analogamente al drogaggio chimico dei semiconduttori "classici" nei circuiti integrati o agli ioni estranei nei laser a stato solido, i difetti atomici sono "come la ciliegina sulla torta" torta", soprattutto in materiali 2D, ha detto Schuler.
Il ricercatore dell'Empa vuole caratterizzare i difetti atomici nei TMD utilizzando un nuovo tipo di strumento e indagare sulla loro idoneità come cosiddetti emettitori quantistici. Gli emettitori quantistici costituiscono l'interfaccia tra due mondi:lo spin dell'elettrone, l'analogo quantomeccanico della coppia elettronica, che è adatto per elaborare informazioni quantistiche, e i fotoni, cioè particelle leggere, che possono essere utilizzate per trasmettere informazioni quantistiche su lunghe distanze senza perdite. .
I materiali 2D offrono il grande vantaggio che le scale energetiche rilevanti sono molto più grandi rispetto ai materiali 3D, quindi si prevede che la tecnologia possa essere utilizzata al di sopra degli ambienti criogenici, idealmente anche a temperatura ambiente. Inoltre, i difetti devono essere localizzati sulla superficie del materiale 2D, il che li rende molto più facili da trovare e manipolare.
Ma prima i difetti del MoS2 bidimensionale strato devono essere rilevati e le loro proprietà elettroniche e ottiche devono essere studiate con precisione. Preciso, in questo caso significa che il luogo indagato viene esplorato con la precisione di un angstrom. Per fare un confronto:1 angstrom sta a un metro come 4 cm stanno alla distanza tra la Terra e la Luna (400.000 km).
E l’istantanea utilizzata per registrare l’eccitazione elettronica del punto quantico deve essere precisa fino a un picosecondo (ps):1 ps è una frazione di secondo piccola quanto due giorni rispetto all’età del pianeta Terra (5 miliardi di anni) ).
Queste misurazioni ultracorti e atomicamente precise forniscono quindi un quadro molto dettagliato di quali processi dinamici si stanno verificando su scala atomica e quali fattori influenzano tali processi.
Un apparato composto da due metà
L'apparecchio in cui avranno luogo gli esperimenti si trova già in una stanza nel seminterrato dell'edificio del laboratorio dell'Empa a Dübendorf, dove il pavimento è il più stabile. "Abbiamo investito oltre un anno e mezzo di lavoro di preparazione e sviluppo per completare la nostra configurazione sperimentale", spiega Bruno Schuler.
"Nell'ottobre 2022 abbiamo collegato le due metà del nostro sistema e siamo stati in grado di misurare per la prima volta le correnti indotte dalle onde luminose. Il principio funziona. Un'enorme pietra miliare nel progetto."
Le due metà con cui lavorerà ora il team di Schuler sono, da un lato, un microscopio a effetto tunnel (STM). Una punta ultrasottile viene utilizzata per scansionare la superficie atomica del campione. Gli scienziati posizioneranno la punta in un sito difettoso, ovvero un posto vacante o un atomo "estraneo" nella struttura.
Poi entra in gioco la seconda metà del sistema, messo a punto dal collega di Schuler, Jonas Allerbeck:un laser a infrarossi da 50 watt invia impulsi laser ultracorti su un cristallo non lineare di niobato di litio. Questo genera un impulso elettromagnetico stabile in fase nella gamma di frequenza dei terahertz. Questo impulso è lungo solo una singola oscillazione della luce e può essere suddiviso con un'ottica speciale in una coppia di impulsi di pompa e sonda, entrambi i quali si susseguono con ritardo variabile e possono misurare la dinamica degli elettroni in modo stroboscopico.
I due impulsi vengono quindi inviati all'STM e diretti alla punta della sonda. Il primo impulso stacca un elettrone dalla punta, che "salta" sul sito del difetto del MoS bidimensionale2 strato e eccita gli elettroni lì. "Può trattarsi di una carica elettrica, di un'eccitazione di spin, di una vibrazione reticolare o di una coppia elettrone-lacuna che creiamo lì", spiega Schuler.
"Con il secondo impulso, dopo qualche picosecondi osserviamo come il nostro sito del difetto ha risposto all'impulso di eccitazione e in questo modo possiamo studiare i processi di decoerenza e il trasferimento di energia nel substrato."
In questo modo, Schuler è uno dei pochi specialisti al mondo a combinare una risoluzione temporale di picosecondi con un metodo in grado di rilevare i singoli atomi. Il team sfrutta la localizzazione intrinseca degli stati nel sistema materiale 2D per mantenere le eccitazioni in un posto abbastanza a lungo da poter essere rilevate.
"Il microscopio a sonda a scansione ultraveloce delle onde luminose consente nuove affascinanti informazioni sui processi quantomeccanici su scala atomica, e i materiali 2D sono una piattaforma di materiali unica per creare questi stati in modo controllato", afferma il ricercatore dell'Empa.
Fornito dai Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali
