I diamanti stanno plasmando il futuro dell'elettronica

Nuovo meccanismo per indurre un comportamento simile al plasmone nei semiconduttori drogati e la possibilità di ottenere tali proprietà nel diamante, un materiale emergente chiave per le tecnologie dell’informazione quantistica

I semiconduttori drogati possono mostrare proprietà simili a quelle metalliche che vanno dalla superconduttività alle risonanze plasmoniche superficiali localizzate e sintonizzabili. Il diamante è un semiconduttore ad ampio gap di banda reso elettronicamente attivo incorporando un drogante per lacune, il boro. Sebbene gli effetti del drogaggio con boro sulla struttura a bande elettroniche del diamante siano ben studiati, non è mai stato dimostrato alcun collegamento tra portatori di carica e plasmoni.

Il diamante, rinomato per la sua straordinaria durezza e chiarezza, si sta rivelando un materiale eccezionale per l'elettronica ad alta potenza e l'ottica quantistica all'avanguardia. Introducendo impurità come il boro, il diamante può essere progettato per condurre elettricità in modo molto simile a un metallo.

I ricercatori della Case Western Reserve University e dell'University of Illinois Urbana-Champaign hanno scoperto una nuova straordinaria proprietà nei diamanti drogati con boro. Questi diamanti potenziati potrebbero portare a progressi rivoluzionari nei dispositivi biomedici e ottici quantistici, consentendo tecnologie più veloci ed efficienti in grado di elaborare le informazioni in modi che i sistemi tradizionali non possono fare. I risultati, pubblicati su Nature Communications (1), evidenziano il potenziale trasformativo di questa scoperta.

Progressi nei dispositivi ottici su scala nanometrica

I ricercatori hanno scoperto che i diamanti drogati con boro presentano plasmoni, onde di elettroni che si muovono quando la luce li colpisce, consentendo di controllare e potenziare i campi elettrici su scala nanometrica. Ciò è importante per i biosensori avanzati, i dispositivi ottici su scala nanometrica e per il miglioramento delle celle solari e dei dispositivi quantistici. In precedenza, si sapeva che i diamanti drogati con boro conducevano elettricità e diventavano superconduttori, ma non avevano proprietà plasmoniche. A differenza dei metalli o anche di altri semiconduttori drogati, i diamanti drogati con boro rimangono otticamente trasparenti.

Approfondimenti sulle innovazioni quantistiche e ottiche

«Il diamante continua a brillare», ha affermato il dottor Giuseppe Strangi (2), professore di fisica alla Case Western Reserve, «sia in senso letterale che come faro per l’innovazione scientifica e tecnologica. Mentre entriamo nell’era dell’informatica e della comunicazione quantistica, scoperte come questa ci avvicinano a sfruttare l’intero potenziale dei materiali al loro livello più fondamentale».

«Capire come il doping influisce sulla risposta ottica dei semiconduttori come il diamante cambia la nostra comprensione di questi materiali», ha affermato il dottor Mohan Sankaran (3), professore di ingegneria nucleare, plasmatica e radiologica presso l'Illinois Grainger College of Engineering.

Contesto storico e implicazioni future dei materiali plasmonici

I materiali plasmonici, che influenzano la luce su scala nanometrica, hanno affascinato gli esseri umani per secoli, anche prima che i loro principi scientifici fossero compresi. I colori vibranti delle vetrate medievali derivano da nanoparticelle metalliche incastonate nel vetro. Quando la luce passa, queste particelle generano plasmoni che producono colori specifici. Le nanoparticelle d'oro appaiono rosso rubino, mentre le nanoparticelle d'argento mostrano un giallo vibrante. Questa antica arte evidenzia l'interazione tra luce e materia, ispirando i progressi moderni nella nanotecnologia e nell'ottica.

I diamanti, composti da cristalli trasparenti dell'elemento carbonio, possono essere sintetizzati con piccole quantità di boro, adiacente al carbonio nella tavola periodica. Il boro contiene un elettrone in meno del carbonio, permettendogli di accettare elettroni. Il boro essenzialmente apre un “buco” elettronico periodico nel materiale che ha l’effetto di aumentare la capacità del materiale di condurre corrente. Il reticolo del diamante drogato con boro rimane trasparente, con una tonalità blu. (Il famoso Hope Diamond è blu perché contiene piccole quantità di boro).

Potenziali applicazioni biomediche dei diamanti drogati con boro

A causa delle sue altre proprietà uniche – è anche chimicamente inerte e biologicamente compatibile – il diamante drogato con boro potrebbe essere potenzialmente utilizzato in contesti in cui altri materiali non potrebbero, come per l’imaging medico o biochip ad alta sensibilità o sensori molecolari (4).

Alti autori dell'articolo “Intervalence plasmons in boron-doped Diamond” pubblicato su Nature Communications: Souvik Bhattacharya, Jonathan Boyd, Sven Reichardt, Valentin Allard, Amir Hossein Talebi, Nicolò Maccaferri, Olga Shenderova, Aude L. Lereu, Ludger Wirtz, Giuseppe Strangi e R. Mohan Sankaran, 14 gennaio 2025.

I diamanti sintetizzati a bassa pressione furono sperimentati per la prima volta al Case Western Reserve (allora Case Institute of Technology) nel 1968 dal membro della facoltà John Angus, morto nel 2023. Angus fu anche il primo a riferire sulla conduttività elettrica del diamante drogato con boro.

Strangi e Sankaran hanno collaborato con Souvik Bhattacharya, autore principale, uno studente laureato dell'Illinois; Jonathan Boyd, Riserva Case Western; Sven Reichardt e Ludger Wirtz, Università del Lussemburgo; Vallentin Allard, Aude Lereu e Amir Hossein Talebi, Università di Marsiglia; e Nicolo Maccaferri, Università di Umeå, Svezia. La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Intervalence plasmons in boron-doped diamond

(2) Giuseppe Strangi

(3) Mohan Sankaran

(4) Diamond Biosensors

Descrizione foto: Lo straordinario colore blu del famoso Hope Diamond deriva da tracce di boro nel cristallo. - Credit: Julian Fong.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: How Diamonds Are Shaping the Future of Electronics and Quantum Tech