Un dispositivo basato su perovskite che combina aspetti dell’elettronica e della fotonica delle quasiparticelle potrebbe aprire le porte a nuovi tipi di chip per computer o qubit quantistici.
Nuove scoperte di un team di ricercatori del MIT e altrove potrebbero aiutare a spianare la strada a nuovi dispositivi che colmano in modo efficiente il divario tra materia e luce.
Questi potrebbero includere chip per computer che eliminano le inefficienze inerenti alle versioni odierne e ai qubit, gli elementi costitutivi di base per computer quantistici che potrebbe funzionare a temperatura ambiente invece delle condizioni ultrafredde necessarie alla maggior parte di tali dispositivi.
Inserendo frammenti di perovskite tra due specchi e stimolandoli con raggi laser, i ricercatori hanno potuto controllare direttamente lo stato di rotazione delle quasiparticelle note come coppie eccitone-polaritone, che sono ibridi di luce e materia. Credito immagine: per gentile concessione dei ricercatori / MIT
Il nuovo lavoro, basato sull’inserimento di minuscole scaglie di un materiale chiamato perovskite tra due superfici riflettenti distanziate con precisione, è dettagliato nella rivista Comunicazioni sulla naturain un carta della neolaureata del MIT Madeleine Laitz PhD ’22, del postdoc Dane deQuilettes, dei professori del MIT Vladimir Bulovic, Moungi Bawendi e Keith Nelson e di altri sette.
Creando questi sandwich di perovskite e stimolandoli con raggi laser, i ricercatori sono stati in grado di controllare direttamente la quantità di moto di alcune “quasiparticelle” all’interno del sistema.
Conosciute come coppie eccitone-polaritone, queste quasiparticelle sono ibridi di luce e materia. Essere in grado di controllare questa proprietà potrebbe in definitiva rendere possibile la lettura e la scrittura di dati su dispositivi basati su questo fenomeno.
“Ciò che è particolarmente affascinante degli eccitoni-polaritoni”, afferma Laitz, è che si trovano “su uno spettro tra sistemi puramente elettronici e fotonici”. Queste quasiparticelle “hanno entrambe le caratteristiche, e quindi puoi sfruttare gli eccitoni-polaritoni per utilizzare le migliori proprietà di ciascuno”.
Ad esempio, i transistor puramente elettronici, spiega, hanno perdite intrinseche per gli effetti di capacità su ogni interfaccia tra i dispositivi, mentre “i sistemi puramente fotonici hanno sfide ingegneristiche, in quanto è molto difficile far interagire i fotoni e devi fare affidamento su complesse schemi interferometrici”.
Al contrario, le quasiparticelle utilizzate da questa squadra possono essere facilmente controllate attraverso più variabili.
Le quasiparticelle sono “uno stato combinato di luce e carica neutra”, afferma Bulovic.
“Di conseguenza, puoi perturbare quello stato combinato con la luce o la carica, e quindi, se hai bisogno di modulare quello stato, hai delle leve extra che puoi utilizzare. Queste leve extra possono ora consentire di manipolare questo stato combinato della materia in un modo più efficiente dal punto di vista energetico”.
Inoltre, i materiali coinvolti sono facilmente fabbricabili utilizzando metodi di lavorazione basati su soluzioni a temperatura ambiente, e quindi potrebbero essere relativamente facili da produrre su larga scala una volta progettati sistemi pratici.
Finora, il lavoro è in una fase molto iniziale, poiché i ricercatori stanno ancora studiando gli effetti appena scoperti; le applicazioni pratiche potrebbero essere tra 5 e 10 anni, afferma Laitz.
Le perovskiti hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni come materiali per nuovi pannelli solari fotovoltaici leggeri e flessibili, quindi sono state condotte molte ricerche sulle loro proprietà e sui metodi di fabbricazione. Il team ha optato per una versione particolare della perovskite chiamata ioduro di piombo fenetilammonio.
“Le perovskiti agli alogenuri raccolgono la luce molto bene e trasformano i fotoni in elettroni o eccitoni, a seconda della dimensionalità e delle proprietà del materiale della perovskite”, afferma, motivo per cui i ricercatori hanno scelto questa particolare versione di questa vasta classe di materiali per la loro ricerca.
Quindi, per creare quella che è nota come cavità ottica in grado di intrappolare i fotoni di luce, i ricercatori hanno posizionato minuscole scaglie di materiale tra le superfici a specchio. Due di questi strati ultrasottili, spessi solo decine di nanometri, sono stati distanziati di una distanza precisa utilizzando strati distanziatori, in modo che gli specchi fossero separati da metà della lunghezza d’onda della luce che questo materiale di perovskite assorbe ed emette.
Usando la perovskite sintonizzata su una lunghezza d’onda della luce verde, la luce verde emessa rimbalza avanti e indietro tra gli specchi.
“Viene riassorbito dal materiale, riemesso, riassorbito, riemesso, riassorbito più e più volte così rapidamente che stai interconvertendo tra il fotone e l’eccitone, in modo tale da generare una sovrapposizione di entrambi”, dice Laitz.
Ciò può portare allo stato della materia noto come Condensato di Bose-Einstein, in cui tutte le particelle hanno stati energetici identici e si comportano in modo molto simile a una grande particella.
Laitz afferma che tali condensati possiedono una proprietà nota come spin, e questa può essere modificata dalla luce o dalla stimolazione elettrica; i cambiamenti risultanti possono essere misurati osservando la fotoluminescenza dal materiale utilizzando un sistema di imaging spettroscopico. E a differenza dei sistemi puramente fotonici, dove c’è poca interazione tra i fotoni, questi materiali hanno forti interazioni sia con la luce che con gli elettroni.
Sono stati prodotti array di tali condensati, ma finora solo a temperature criogeniche ultrabasse. “Le perovskiti offrono l’opportunità di realizzare questo fenomeno a temperature elevate”, ma è difficile formare i condensati nelle perovskiti.
Questa nuova ricerca mostra le caratteristiche fondamentali del processo che porta alla condensazione, dice Laitz. Nel loro documento, “proponiamo diverse strategie dal punto di vista materiale e dal punto di vista dell’architettura del dispositivo per consentire questo”. E questo potrebbe essere un passo fondamentale verso eventuali qubit a temperatura ambiente, dice.
Sebbene lo sviluppo di tali dispositivi possa richiedere diversi anni, un’applicazione più a breve termine delle nuove scoperte potrebbe consistere nella produzione di nuovi tipi di dispositivi che emettono luce, afferma deQuilettes, inclusi quelli che potrebbero fornire una sorgente luminosa orientabile con un’uscita direzionale che può essere controllato elettronicamente.
“C’è stato un certo interesse nell’usare gli eccitoni-polaritoni come base per sorgenti luminose coerenti a bassa potenza, simili ai laser”, afferma Stéphane Kéna-Cohen, professore associato di fisica ingegneristica al Politecnico di Montreal, che non era associato con questo lavoro.
“In quella zona, la sfida è far sì che i polaritoni si rilassino in modo efficiente fino al loro stato energetico più basso. Questo documento ci aiuta a capire i dettagli di come ciò avvenga nelle microcavità di perovskite e come progettare meglio le cavità per far sì che ciò avvenga a bassissima potenza».
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Fonte: Istituto di Tecnologia del Massachussetts
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
