Una coppia di fisici dell'Università della California, Riverside, mira a convertire la luce che cade su materiali semiconduttori atomicamente sottili in elettricità, avendo ricevuto più di $ 582.000 di finanziamenti dal Dipartimento dell'esercito degli Stati Uniti. Nathaniel Gabor e Vivek Aji, entrambi professori associati di fisica e astronomia, si concentreranno su come la scienza fondamentale della luce e la sua interazione con la materia consentano nuove capacità di rilevamento in strutture verticali stratificate e contorte di semiconduttori monostrato impilati. I ricercatori mirano a capire in che modo le eccitazioni elettroniche influenzano il flusso di energia fotoassorbita in materiali optoelettronici semiconduttori ultracompatti. La foto mostra Vivek Aji (a sinistra) e Nathaniel Gabor nel Quantum Materials Optoelectronics Lab presso UC Riverside. Credito immagine: Stan Lim, UC Riverside. “Questo sforzo di ricerca ha il potenziale per influenzare la scienza e la tecnologia fondamentali, coinvolgendo la fisica dei processi quantistici nel rilevamento della luce e una conoscenza più approfondita di nuove proprietà optoelettroniche nei materiali quantistici 2D”, ha affermato Tania Paskova, program manager del Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito americano , noto come DEVCOM, Army Research Laboratory. “Un'esecuzione di successo aprirà nuove opportunità per sensori potenziati dal punto di vista quantistico che potrebbero inaugurare una nuova era della tecnologia di visione notturna e delle reti di comunicazione quantistica, entrambe di importanza significativa per l'esercito”. Gabor e Aji si aspettano il loro approccio di impilamento e torsione per generare una nuova generazione di fotodiodi quantistici che funzionano a temperatura ambiente, fotovoltaico di nuova generazione, sensori a fotone singolo e diodi emettitori di luce o LED. Saranno tra i primi a esplorare la capacità di ingegnerizzare in pila l'interazione tra movimento vibrazionale e stati elettronici, annunciando una nuova era della scienza dei sensori quantistici. “Riteniamo che questo progetto ci fornirà una profonda comprensione della separazione dei buchi elettronici quantistici coerente e veloce e altamente sensibile nel rilevamento della luce”, ha affermato Gabor, ricercatore principale della borsa di studio triennale. “Promette inoltre un rapido progresso futuro di materiali e dispositivi progettati con precisione per tecnologie di rilevamento della luce avanzate”. Utilizzando la modellazione teorica come strumento, Gabor e Aji hanno già iniziato esperimenti con semiconduttori atomicamente sottili diseleniuro di tungsteno e diseleniuro di molibdeno. Quando tali semiconduttori assorbono un fotone, un elettrone legato può essere liberato, lasciando dietro di sé un vuoto di elettrone o un buco. Poiché il buco si comporta come un elettrone con una carica positiva, l'elettrone e il buco possono attrarsi a vicenda per formare uno stato legato chiamato eccitone. “Oggi capiamo meglio anche solo a livello di impilamento come si comportano questi materiali”, ha detto Aji, un fisico teorico e co-ricercatore principale della borsa di studio. “Nella torsione, arrivi a una serie di” angoli magici “in cui certi aspetti si ripetono. La torsione è il futuro in questa linea di ricerca “. Gabor ha spiegato che gli scienziati dei materiali possono ora facilmente isolare i singoli materiali atomicamente sottili e controllare anche come sono attorcigliati l'uno rispetto all'altro. Progettare le interazioni in questi materiali “twistronici” tra moto atomico ed eccitoni, – è impegnativo poiché la forza di interazione è fissata dalla configurazione su scala atomica e dalla struttura elettronica. “Immagina uno strato di atomi rossi sopra uno strato di atomi blu”, ha detto Gabor. “Attorcigliandoli l'uno contro l'altro, manipoli con precisione la distanza tra gli atomi rosso e blu e le vibrazioni consentite dagli atomi vengono influenzate in modi insoliti. Mentre continui a fare questi colpi di scena … il loro comportamento, a sua volta, diventa più complesso, influenzando proprietà come il magnetismo, la superconduttività e gli effetti ottici. “Con un solo strato, hai un assorbimento molto ristretto di un eccitone. Quando inizi a impilare e torcere gli strati, puoi trovare nuovi modi per assorbire la luce e generare corrente da essa in modo efficiente “. Quando si impilano strati di diseleniuro di tungsteno e diseleniuro di molibdeno, può formarsi un campo elettrico tra di loro. La luce che risplende su questa pila forma un eccitone legato, che viene quindi convertito direttamente in elettroni e lacune con notevole efficienza. Gabor sospetta che alcuni effetti meccanici quantistici unici possano verificarsi nel sistema diseleniuro di tungsteno-diseleniuro di molibdeno. Solo pochi sistemi di materiali si comportano in questo modo, ha detto. “Ha a che fare con il modo in cui gli atomi vibrano e come questo interagisce con la luce”, ha aggiunto. “Potremmo vedere la fisica vibronica qui. L'obiettivo finale dal punto di vista dell'esercito è trovare nuovi modi per aumentare l'efficienza che sfruttino gli effetti della meccanica quantistica. Abbiamo un'intera suite di semiconduttori che si comportano come diseleniuro di tungsteno e diseleniuro di molibdeno da sperimentare “. Aji ha spiegato che quando la luce viene assorbita in un semiconduttore, nel sistema si crea una certa eccitazione che spesso si dissipa. “Ma se potessi controllare le proprietà elettroniche dei materiali in modo sistematico, potresti mettere a punto i materiali in modo che rispondano alla luce nel modo desiderato”, ha detto. “L'impilamento e la torsione degli strati semiconduttori consentono proprio questo.” I ricercatori riconoscono che la rotazione di due semiconduttori l'uno contro l'altro pone il loro lavoro nell'età della pietra di questo sforzo di ricerca. “Il nostro lavoro di collaborazione finora ha solo scalfito la superficie di questo vasto paesaggio”, ha detto Gabor. “Con tre, quattro o 10 monostrati, abbiamo uno spazio parametrico enorme da studiare. La buona notizia è che avremo molto lavoro da fare, il che dovrebbe tenere impegnato il mio laboratorio per molto tempo. La cattiva notizia è che con molti livelli diventa molto più difficile capire cosa sta succedendo esattamente “. A differenza di altri gruppi di ricerca che lavorano sull'impilamento e la torsione di materiali semiconduttori, Gabor e Aji sono interessati a dimostrare dispositivi, come i sensori vibronici della temperatura ambiente, da una prospettiva sperimentale. “Ci stiamo concentrando su dispositivi semiconduttori con applicazioni nella fotorilevazione e nell'optoelettronica”, ha affermato Gabor. “Questi dispositivi possono teoricamente funzionare a velocità inaccessibili a LED e laser, promettendo comunicazioni ad alta velocità. Una cosa degna di nota è che gli esperimenti e la teoria si stanno attualmente muovendo alla stessa velocità in questo campo. Questo è davvero insolito nella scienza. Ciò che ci distingue dagli altri gruppi di ricerca è che stiamo già costruendo questi dispositivi a semiconduttore “. Gabor e Aji saranno assistiti nella ricerca da due studenti laureati. Il progetto, intitolato “Stacking and twisting van der Waals eterostrutture per sensori vibronici ultraveloci e ultrasensibili”, inizia il 1 settembre. Fonte: UC Riverside

59 Views
(Visited 2 times, 1 visits today)

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *