Un passo avanti verso l’elettronica del futuro

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Da sinistra a destra: i dottorandi Fedele Tagarelli ed Edoardo Lopriore, con il
Da sinistra a destra: i dottorandi Fedele Tagarelli ed Edoardo Lopriore, con il Prof. Andras Kis. 2023 EPFL / Alain Herzog

I ricercatori hanno controllato il modo in cui gli eccitoni, quasi-particelle che potrebbero trasportare informazioni nei dispositivi elettronici e sostituire gli elettroni, si respingono tra loro. Hanno applicato un campo elettrico a una struttura fatta di materiali semiconduttori bidimensionali.

Consumano enormi quantità di energia per trasportare e memorizzare le informazioni, perdono energia durante il funzionamento e presto raggiungeranno i loro limiti in termini di velocità di elaborazione e miniaturizzazione. I dispositivi elettronici sono diventati indispensabili per tutti i settori della società, ma con il crescente utilizzo di Internet si stanno avvicinando ai loro limiti. Per anni gli scienziati, compresi quelli dell’EPFL, hanno lavorato su alternative per superare questi limiti, in particolare studiando gli eccitoni e il loro comportamento nei materiali bidimensionali (2D).

In questa elettronica del futuro, più veloce e più piccola, con una perdita di energia molto ridotta, gli eccitoni - una coppia di elettroni con carica negativa e buchi con carica positiva - sostituirebbero o lavorerebbero con gli elettroni per trasportare le informazioni. La luce, e non l’elettricità, verrebbe utilizzata per elaborare le informazioni o fare calcoli. La luce è già ampiamente utilizzata per trasportare informazioni, ad esempio nelle fibre ottiche", spiega Fedele Tagarelli, dottorando presso il Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) del Prof. Andras Kis. Ma i sistemi informatici basati sulla luce sono stati ostacolati da limitazioni di materiali e dimensioni.

"Gli eccitoni, a differenza degli elettroni, generano meno calore quando viaggiano attraverso un materiale e lavorano molto bene con la luce. Per sfruttare il loro potenziale, però, dobbiamo prima capire e controllare come vengono generati, le loro interazioni, la loro velocità e la loro durata. Questi elementi sono ancora in fase di ricerca", spiega Edoardo Lopriore, anch’egli dottorando presso LANES. In uno stato ideale della materia, questi eccitoni possono infatti raggiungere uno stato di superfluidità, che permette loro di viaggiare senza energia, senza resistenza e quindi senza perdita di energia.

Effetto repellente

In questo contesto, i ricercatori di LANES, in collaborazione con la Philipps-Universität Marburg e l’Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone, hanno studiato uno dei principali comportamenti degli eccitoni: il modo in cui si respingono a vicenda. Hanno sviluppato una piattaforma costituita da due strati, superiore e inferiore, di metallo e da uno strato interno composto da molti strati di materiali 2D isolanti e semiconduttori, che sono sovrapposti e tenuti insieme da una cosiddetta "forza di Van der Waals". I materiali 2D hanno la particolarità di essere estremamente sottili e composti da pochi strati di atomi. "Hanno proprietà completamente diverse dai materiali 3D e consentono nuovi fenomeni fisici", sottolinea Fedele Tagarelli.

Hanno poi osservato che, applicando una tensione elettrica a questa piattaforma, sono stati in grado di controllare e modificare il modo in cui gli eccitoni si respingono a vicenda. "A nostra conoscenza, è la prima volta che questo controllo viene dimostrato, almeno in modo così semplice", aggiunge Fedele Tagarelli. "Abbiamo scoperto un nuovo metodo per controllare gli eccitoni ibridi, che può offrire un’opportunità unica per gli studi di fisica della materia condensata". Nelle sue precedenti ricerche, LANES era già riuscita a controllare la vita e la mobilità degli eccitoni.


Affinché questo funzioni, i dottorandi affermano che gli eccitoni non devono "ricevere" direttamente la tensione elettrica, ma semplicemente "sentire" un campo elettrico, da cui la presenza di uno strato metallico protettivo, nonché di uno strato isolante sulla struttura, che protegge gli strati di materiale semiconduttore 2D, il diseleniuro di tungsteno WSe#.Da qui la presenza di uno strato metallico protettivo, nonché di uno strato isolante sulla struttura, che protegge gli strati di materiale semiconduttore 2D, il diseleniuro di tungsteno WSe2. I ricercatori hanno effettuato gli esperimenti e le misurazioni a temperature molto basse (4 Kelvin).

"Con questo nuovo esperimento, continuiamo a sviluppare la nostra cassetta degli attrezzi per sfruttare gli eccitoni e renderli utili per elaborare le informazioni in modo più ecologico", aggiunge il Prof. Andras Kis. I risultati sono pubblicati su Nature Photonics.

Riferimenti

"Controllo elettrico del trasporto di eccitoni ibridi in un’eterostruttura di Van der Waals".

Fedele Tagarelli, Edoardo Lopriore, Daniel Erkensten, Raül Perea-Causín, Samuel Brem, Joakim Hagel, Zhe Sun, Gabriele Pasquale, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ermin Malic, Andras Kis

Pubblicato il 20 aprile 2023 su Nature photonics.