Come accendere e spegnere le onde elettroniche

(Cnr) – La lucentezza tipica dei metalli è dovuta agli elettroni che si muovono liberamente all’interno del materiale, riflettendo la luce. Illuminando opportunamente il metallo si possono generare delle ‘onde’ sulla superficie di questo ‘mare’ di elettroni, che vengono dette plasmoni di superficie. Quando la luce è concentrata su un punto di pochi nanometri (un nanometro è un milionesimo di millimetro, circa dieci volte il diametro di un atomo), essa genera onde in miniatura che si propagano sulla superficie del materiale in modo circolare. La plasmonica intende sfruttare queste onde per realizzare dispositivi elettronici compatti e ultraveloci: finora tuttavia non si era trovato un modo per accendere e spegnere tali onde rapidamente.

Per la prima volta, ricercatori dell’Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Nano-Cnr) e della Scuola Normale Superiore, in collaborazione con l’Università di Regensburg, hanno dimostrato che è possibile accendere e spegnere con velocità elevatissima onde di elettroni. Un risultato che potrebbe portare a interruttori con velocità di commutazione enormemente maggiori rispetto a quelle dei più avanzati transistor attuali e quindi alla possibilità di costruire dispositivi elettronici ultraveloci. Lo studio è pubblicato su Nature nanotechnology.

“La soluzione è stata utilizzare, anziché un metallo, uno dei nuovi materiali bidimensionali: il fosforene impilato in una struttura a strati dello spessore di un singolo atomo”, spiega Miriam Vitiello di Nano-Cnr. “Nel metallo le onde elettroniche sono sempre presenti, mentre nella struttura che abbiamo realizzato nei nostri laboratori di Pisa si generano elettroni che si muovono solo irraggiandoli con intensi impulsi luminosi, altrimenti la struttura è come ‘spenta’. Ma appena il primo impulso laser genera gli elettroni liberi, un impulso successivo produce l’onda di plasmoni di superficie e si passa a uno stato ‘acceso'”.

Utilizzando un apparato di misura unico a livello mondiale per la sua risoluzione spaziale e temporale elevatissima, gli scienziati hanno misurato tempi di commutazione nella scala dei femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di un miliardesimo di secondo, cioè 0, 000 000 000 000 001 secondi) e quindi molti ordini di grandezza più veloci rispetto ai migliori transistor esistenti. “Nell’elettronica tradizionale sono i transistor che, con la loro capacità di far passare o meno un segnale, accendono e spengono un dispositivo. Ora la possibilità di passare da uno stato ‘on’ a uno stato ‘off’ rapidamente, controllando l’accensione e lo spegnimento di onde di plasmoni, è estremamente incoraggiante per una futura elettronica ultra-veloce basata sui plasmoni di superficie, uno degli obiettivi della plasmonica“, conclude Vitiello.

Riferimenti: Femtosecond photo-switching of interface polaritons in black phosphorus heterostructures, M. A. Huber, F. Mooshammer, M. Plankl, L. Viti, F. Sandner, L. Z. Kastner, T. Frank, J.Fabian, M. S. Vitiello, T. L. Cocker & R. Huber, Nature Nanotechnology