Semiconduttore superatomico stabilisce un record di velocità

I chimici della Columbia scoprono il flusso balistico in un materiale quantistico. La scoperta potrebbe aiutare a superare le carenze dei semiconduttori

I semiconduttori, in particolare il silicio, sono alla base dei computer, dei cellulari e di altri dispositivi elettronici che alimentano la nostra vita quotidiana, compreso il dispositivo su cui stai leggendo questo articolo. Per quanto onnipresenti siano diventati i semiconduttori, presentano delle limitazioni. La struttura atomica di qualsiasi materiale vibra, creando particelle quantistiche chiamate fononi. I fononi a loro volta causano la dispersione delle particelle – elettroni o coppie elettrone-lacuna chiamate eccitoni – che trasportano energia e informazioni attorno ai dispositivi elettronici nel giro di nanometri e femtosecondi. Ciò significa che l’energia viene persa sotto forma di calore e che il trasferimento delle informazioni ha un limite di velocità.

La ricerca è aperta per opzioni migliori. Scrivendo su Science (1), un team di chimici della Columbia University guidato da Jack Tulyag, uno studente di dottorato che lavora con il professore di chimica Milan Delor (2), descrive il semiconduttore più veloce ed efficiente mai realizzato: un materiale superatomico chiamato Re₆Se₈Cl₂.

Invece di disperdersi quando entrano in contatto con i fononi, gli eccitoni in Re₆Se₈Cl₂ in realtà si legano ai fononi per creare nuove quasiparticelle chiamate eccitoni-polaroni acustici. Sebbene i polaroni si trovino in molti materiali, quelli in Re₆Se₈Cl₂ hanno una proprietà speciale: sono capaci di flusso balistico, o privo di dispersione. Questo comportamento balistico potrebbe significare un giorno dispositivi più veloci ed efficienti.

«In termini di trasporto di energia, Re₆Se₈Cl₂ è il miglior semiconduttore che conosciamo, almeno finora», ha detto il dottor Milan Delor.

Negli esperimenti condotti dal team, gli eccitoni-polaroni acustici in Re₆Se₈Cl₂ si muovevano velocemente, due volte più velocemente degli elettroni nel silicio, e attraversavano diversi micron del campione in meno di un nanosecondo. Dato che i polaroni possono durare circa 11 nanosecondi, il team ritiene che i polaroni eccitoni potrebbero coprire più di 25 micrometri alla volta. E poiché queste quasiparticelle sono controllate dalla luce anziché da una corrente elettrica e da un gating, le velocità di elaborazione nei dispositivi teorici hanno il potenziale per raggiungere i femtosecondi, sei ordini di grandezza più veloci dei nanosecondi ottenibili nell’attuale elettronica Gigahertz. Il tutto a temperatura ambiente.

Una versione quantistica della tartaruga e della lepre

Re₆Se₈Cl₂ è un semiconduttore superatomico creato nel laboratorio del collaboratore Xavier Roy (3). I super atomi sono gruppi di atomi legati insieme che si comportano come un grande atomo, ma con proprietà diverse rispetto agli elementi utilizzati per costruirli. La sintesi dei super atomi è una specialità del laboratorio Roy e rappresenta l'obiettivo principale del Centro di ricerca scientifica e ingegneria sui materiali quantistici assemblati di precisione della Columbia, finanziato dalla NSF (4). Il dottor Delor è interessato a controllare e manipolare il trasporto di energia attraverso super atomi e altri materiali unici sviluppati alla Columbia. Per fare ciò, il team costruisce strumenti di imaging ad alta risoluzione in grado di catturare particelle che si muovono su scale ultrapiccole e ultraveloci.

Quando Jack Tulyag portò per la prima volta Re₆Se₈Cl₂ in laboratorio, non era per cercare un semiconduttore nuovo e migliorato, ma per testare la risoluzione dei microscopi del laboratorio con un materiale che, in linea di principio, non avrebbe dovuto condurre molto di tutto. «Era l'opposto di quello che ci aspettavamo», ha detto Delor. «Invece del movimento lento che ci aspettavamo, abbiamo osservato la cosa più veloce che avessimo mai visto».

Jack Tulyag e i suoi colleghi del gruppo Delor trascorsero i due anni successivi lavorando per individuare il motivo per cui Re₆Se₈Cl₂ mostrava un comportamento così straordinario, compreso lo sviluppo di un microscopio avanzato con un'estrema risoluzione spaziale e temporale in grado di visualizzare direttamente i polaroni mentre si formano e si muovono attraverso il materiale. Anche la chimica teorica Petra Shih, una dottoranda che lavora nel gruppo di Timothy Berkelbach (5), ha sviluppato un modello quantomeccanico che fornisce una spiegazione per le osservazioni.

«Le nuove quasiparticelle sono veloci, ma, controintuitivamente, raggiungono quella velocità camminando su se stesse, un po’ come la storia della tartaruga e della lepre», ha spiegato Delor.

Ciò che rende il silicio un semiconduttore desiderabile è che gli elettroni possono muoversi al suo interno molto rapidamente, ma come la proverbiale lepre, rimbalzano troppo e in realtà non arrivano molto lontano, molto velocemente alla fine. Gli eccitoni in Re₆Se₈Cl₂ sono, comparativamente, molto lenti, ma è proprio perché sono così lenti che sono in grado di incontrare e accoppiarsi con fononi acustici altrettanto lenti. Le quasiparticelle risultanti sono “pesanti” e, come la tartaruga, avanzano lentamente ma costantemente. Senza ostacoli da parte di altri fononi lungo il percorso, gli eccitoni-polaroni acustici in Re₆Se₈Cl₂ alla fine si muovono più velocemente degli elettroni nel silicio.

La ricerca sui semiconduttori continua

Come molti dei materiali quantistici emergenti esplorati alla Columbia, Re₆Se₈Cl₂ può essere staccato in fogli sottilissimi, una caratteristica che gli permette potenzialmente di essere combinato con altri materiali simili alla ricerca di ulteriori proprietà uniche. Re₆Se₈Cl₂, tuttavia, difficilmente riuscirà mai a entrare in un prodotto commerciale: il primo elemento della molecola, il renio, è uno dei più rari sulla terra e di conseguenza estremamente costoso.

Ma con la nuova teoria del gruppo Berkelbach insieme alla tecnica di imaging avanzata che Tulyag e il gruppo Delor hanno sviluppato per tracciare direttamente la formazione e il movimento dei polaroni, il team è pronto a vedere se ci sono altri contendenti superatomici capace di battere il record di velocità di Re₆Se₈Cl₂.

«Questo è l'unico materiale in cui si è visto un trasporto prolungato di eccitoni balistici a temperatura ambiente. Ma ora possiamo iniziare a prevedere quali altri materiali potrebbero essere capaci di questo comportamento che non avevamo mai considerato prima», ha detto Delor. «Esiste un’intera famiglia di materiali semiconduttori superatomici e altri materiali semiconduttori 2D con proprietà favorevoli alla formazione di polaroni acustici».

Oltre al MRSEC della Columbia finanziato dalla NSF, questo lavoro è stato sostenuto dall'US Air Force Office of Scientific Research.

Riferimenti:

(1) Room-temperature wavelike exciton transport in a van der Waals superatomic semiconductor

(2) Delor Labs at Columbia University, New York

(3) ROY RESEARCH GROUP

(4) NSF-funded Material Research Science and Engineering Center on Precision Assembled Quantum Materials

(5) The Berkelbach Group at Columbia University

Descrizione foto: La lepre veloce ma lenta, che rappresenta un elettrone, contro la tartaruga in movimento lento e costante, che rappresenta gli eccitoni-polaroni acustici. - Credit: Jack Tulyag.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A Superatomic Semiconductor Sets a Speed Record