Elettroni simili a fluidi

Una nuova ricerca sui materiali quantistici come il grafene mostra che gli elettroni possono comportarsi come fluidi viscosi, aprendo possibilità per dispositivi elettronici più veloci ed efficienti

La luce incidente sui materiali può indurre cambiamenti nella loro conduttività elettrica, un fenomeno denominato fotoresistenza. Nei semiconduttori, la fotoresistenza è negativa, poiché la promozione degli elettroni indotta dalla luce attraverso la banda proibita aumenta il numero di portatori di carica che partecipano al trasporto. Nei superconduttori e nei metalli normali, la fotoresistenza è positiva a causa rispettivamente della distruzione dello stato superconduttore e dell'aumento della dispersione di rilassamento della quantità di moto.

Alle scuole superiori di scienze abbiamo imparato che collegando un cavo a un circuito elettrico si avvia un flusso di elettroni, fornendo energia a tutto, dalle luci ai telefoni.

Tradizionalmente, abbiamo compreso il comportamento degli elettroni nei metalli e nei semiconduttori utilizzando un modello semplice. Da questo punto di vista, gli elettroni sono come minuscole particelle indipendenti, simili alle automobili che si muovono liberamente su un’autostrada aperta, e raramente interagiscono tra loro. Questo modello semplice è stato per lungo tempo il fondamento dell’elettronica, modellando il modo in cui progettiamo i dispositivi che alimentano la vita moderna.

Tuttavia, questa visione tradizionale non spiega completamente il comportamento degli elettroni in alcuni materiali quantistici emergenti, come il grafene, un materiale ultrasottile e altamente conduttivo. Nel grafene, gli elettroni non si muovono in modo indipendente ma scorrono invece collettivamente, simile al movimento di un fluido viscoso, come il petrolio.

Questa scoperta è più di una semplice osservazione bizzarra. Potrebbe essere trasformativa per lo sviluppo futuro di un’ampia gamma di tecnologie.

«Nel nostro laboratorio di ricerca al College of Design and Engineering, stiamo esplorando come i materiali quantistici interagiscono con la radiazione elettromagnetica su scala nanometrica per scoprire nuovi fenomeni scientifici e il loro potenziale utilizzo nello sviluppo di tecnologie future. In un recente studio, pubblicato su Nature Nanotechnology (1), abbiamo riportato che quando il grafene è esposto a radiazioni elettromagnetiche di frequenze terahertz, il fluido elettronico si riscalda e la sua viscosità viene drasticamente ridotta, con conseguente minore resistenza elettrica, proprio come accade con olio, miele e altri liquidi viscosi i fluidi scorrono più facilmente poiché vengono riscaldati su un fornello», asseriscono gli scienziati coinvolti nella ricerca.

Perché è emozionante?

Le onde Terahertz (THz) sono una parte speciale e tecnologicamente impegnativa dello spettro elettromagnetico, situato tra le microonde e la luce infrarossa, che ha una vasta gamma di potenziali applicazioni. Essere in grado di rilevare le onde THz potrebbe sbloccare importanti progressi nelle tecnologie.

Nelle comunicazioni, ad esempio, l’attuale tecnologia Wi-Fi funziona a diversi GHz, limitando la quantità di dati che possono essere trasmessi. La radiazione THz, con la sua frequenza molto più elevata, potrebbe fungere da “frequenza portante” per reti ultraveloci, oltre il 5G, consentendo un trasferimento dati più rapido per dispositivi connessi all’Internet delle cose (IoT), auto a guida autonoma e innumerevoli altre applicazioni.

Nell'imaging medico e nel controllo qualità industriale, le onde THz possono penetrare molti materiali, rendendoli utili per scansioni non invasive. Sono anche più sicuri dei raggi X e forniscono uno strumento di imaging altamente selettivo e preciso.

Andando più lontano, la visione THz consente l’astronomia osservativa, consentendo agli scienziati di osservare galassie ed esopianeti distanti che non possono essere visti dalla luce visibile.

La radiazione THz offre quindi un enorme potenziale. Il problema è che, fino a poco tempo fa, rilevarlo è stata una sfida significativa. Le onde THz sono troppo veloci per essere gestite dai chip semiconduttori tradizionali e troppo lente per i dispositivi optoelettronici convenzionali.

«Il nostro studio - sostengono i ricercatori - dimostra che sfruttando l’effetto di riduzione della viscosità possiamo creare dispositivi innovativi in grado di rilevare le onde THz individuando i cambiamenti nella resistenza elettrica. Infatti, come abbiamo riportato nel nostro articolo, siamo riusciti a costruire una nuova classe di dispositivi elettronici chiamati bolometri elettronici viscosi».

Rappresentando la prima applicazione pratica e reale dell'elettronica viscosa - un concetto che un tempo si pensava fosse puramente teorico - questi bolometri sono in grado di rilevare i cambiamenti di resistenza in modo estremamente accurato e rapido, operando, in linea di principio, su scala del picosecondo. In altre parole, trilionesimi di secondo.

Comprendere e sfruttare il modo in cui gli elettroni si muovono insieme come un fluido collettivo ci apre la strada a ripensare completamente la progettazione dei dispositivi elettronici. Con questo in mente, il nostro team sta lavorando attivamente per ottimizzare questi bolometri elettronici viscosi per applicazioni pratiche.

«Man mano che scopriamo nuovi segreti nel mondo emergente dei materiali quantistici, è chiaro che i modelli tradizionali del comportamento degli elettroni non sono più sufficienti. Abbracciando questa nuova comprensione dell’elettronica viscosa, potremmo essere sul punto di sbloccare elevate possibilità tecnologiche», concludono gli scienziati.

Riferimenti:

(1) Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene

Descrizione foto: Un'immagine concettuale mostra un fascio di radiazioni terahertz che riscalda il fluido elettronico e provoca un cambiamento nella viscosità. - Credit: College of Design and Engineering.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: