Come gli interruttori della luce, i transistor controllano il flusso di corrente elettrica. I transistor sono gli elementi costitutivi fondamentali di qualsiasi dispositivo informatico, dagli smartphone ai computer nelle automobili. Ma eccitoni hanno il potenziale per migliorarli tutti.
Fisica quantistica, mare di eccitoni – interpretazione artistica. Credito immagine: Sigmund tramite Unsplash, licenza gratuita
Secondo Phuong Nguyen, un Ph.D. candidato sotto la direzione di Kin Fai Mak, Fisica, e Jie Shan, Ingegneria applicata e Fisica, potremmo ospitare miliardi o addirittura trilioni in più transistor in un dispositivo, creando un computer ultraveloce e che consuma meno energia. La chiave: sono i materiali bidimensionali.
La maggior parte dei transistor oggi sono realizzati in silicio tridimensionale. Le dimensioni dei transistor al silicio si sono ridotte drasticamente negli ultimi decenni, ma i transistor tridimensionali possono diventare solo così piccoli prima di incontrare limiti fondamentali nella geometria e nelle proprietà fisiche.
Nguyen spera che le sue ricerche siano alla Cornell Laboratorio di Fisica Atomica e dello Stato Solido (LASSP) porterà a transistor che si libereranno da questi vincoli.
Il nuovo campo dei materiali bidimensionali mira a sfruttare le particelle quantistiche per applicazioni pratiche. L’obiettivo di creare un transistor bidimensionale a bassa potenza ha spinto Nguyen a cercare modi per ottenere un superfluido praticabile, un fluido che scorre senza alcuna resistenza.
Un transistor costituito da un superfluido non avrebbe bisogno di energia per alimentare la corrente, trasformando il modo in cui alimentiamo le nostre innumerevoli esigenze elettroniche.
Mondo quantistico, meccanica quantistica – visualizzazione artistica. Credito immagine: FLY:D tramite Unsplash, licenza gratuita
Creare un mare di eccitoni
I superfluidi sono rari e difficili da creare. Per raggiungere il suo obiettivo, Nguyen si è concentrato sulla condensazione degli eccitoni, un fenomeno in cui un gruppo di particelle subatomiche chiamate eccitoni condividono la stessa identità quantistica, diventando essenzialmente un’unica superparticella.
“L’idea è che se si genera una densità di eccitoni sufficientemente elevata, disponendoli molto vicini tra loro e raffreddandoli al di sotto di una temperatura critica, si produrrà qualcosa chiamato condensato di Bose-Einstein”, afferma Nguyen.
Il condensato di Bose-Einstein è uno stato coerente della materia con proprietà macroscopiche, che lo rendono un meccanismo promettente per la realizzazione di un superfluido.
Phuong Nguyen, dottorando alla Cornell University. Credito immagine: Cornell University
Per verificare la sua ipotesi, Nguyen deve prima produrre eccitoni, una sorta di quasiparticella. La ricetta per un eccitone sembra semplice. Il primo ingrediente è un elettrone, una particella carica negativamente che generalmente è il portatore di corrente elettrica nei metalli e nei semiconduttori.
Il secondo ingrediente è una lacuna, uno stato vuoto o antiparticella di un elettrone, con una carica positiva. Con cariche opposte, l’elettrone e la lacuna si attraggono e si accoppiano formando un eccitone.
La sfida è trovare materiali bidimensionali che possano formare eccitoni stabili e di lunga durata. Nguyen ha bisogno di materiali che si leghino bene tra loro, formando un forte eccitone in grado di resistere alle temperature che applica loro.
Per un anno, Nguyen e i suoi colleghi di laboratorio hanno accoppiato vari materiali per trovare una combinazione che si adattasse alle loro esigenze. Dopo molte prove che hanno prodotto eccitoni instabili, il team ha trovato due composti inorganici che funzionano bene insieme: diseleniuro di molibdeno (MoSe2) e diseleniuro di tungsteno (WSe2). Il primo composto fornisce gli elettroni, il secondo le lacune.
Nguyen inizia producendo manualmente scaglie bidimensionali di diseleniuro di molibdeno e diseleniuro di tungsteno attraverso un processo chiamato esfoliazione meccanica: utilizza nastro adesivo per staccare ripetutamente gli strati dalla superficie dei due materiali.
La tecnica produce scaglie molto sottili e bidimensionali che possono essere viste solo attraverso un microscopio. Egli impila le scaglie di diseleniuro di tungsteno sopra le scaglie di diseleniuro di molibdeno per creare condizioni favorevoli alla formazione di eccitoni.
Nguyen applica quindi una carica elettronica tra i due strati. Man mano che aumenta il voltaggio, vengono creati sempre più eccitoni e lo spazio tra loro si restringe fino ad ottenere quello che lui chiama un “mare di eccitoni”.
“Ad un certo punto, è come se cominciassero a parlare tra loro, dicendo: ‘Comportiamo come una cosa sola’. Cominciano a muoversi insieme alla stessa velocità, miliardi di eccitoni agiscono come se fossero uno solo”, dice Nguyen.
Una volta che gli eccitoni iniziano a interagire fortemente, perdendo la loro identità individuale in un fenomeno quantistico noto come sovrapposizione coerente, Nguyen inizia il processo di condensazione.
“Per produrre il condensato di Bose-Einstein, mettiamo i materiali bidimensionali in un frigorifero specializzato. Questo raffredda gli eccitoni a temperature molto basse, vicine allo zero Kelvin, che è lo zero assoluto. È la temperatura più fredda che possa esistere”, dice Nguyen.
Quando gli eccitoni raggiungono un punto energetico sufficientemente basso, si uniscono per formare un unico stato.
“Nel mio progetto precedente, siamo stati in grado di generare questo mare di eccitoni, ma dobbiamo fare più esperimenti per supportare pienamente questa affermazione”, afferma Nguyen. “Attualmente abbiamo uno sforzo continuo per fare il passo successivo e realizzare un superfluido di eccitoni, per far fluire gli eccitoni senza dissipazione”.
Il primo condensato di Bose-Einstein è stato realizzato meno di trent’anni fa. “Questa è una nuova ricerca”, dice Nguyen.
“Questo lavoro è stato solo teorizzato prima. Il condensato di Bose-Einstein è stato realizzato prima, ma mai per gli eccitoni”. Secondo Nguyen, il gruppo di cui fa parte al LASSP è tra i primi a tentare di creare un condensato dagli eccitoni.
La fisica conta
Nguyen si innamorò della fisica dello stato solido durante i suoi anni universitari presso l’Università dell’Alabama, dove lavorò in due laboratori occupandosi di ricerca sui materiali bidimensionali. La ricerca condotta al LASSP, un programma leader nel settore, lo ha portato a continuare il suo lavoro alla Cornell.
Nguyen ritiene che la ricerca sullo stato solido sia la chiave per creare tecnologie nuove, innovative e in grado di cambiare la vita.
“Il tuo telefono è un computer; la tua macchina è un computer. Ricerca sullo stato solido, [sometimes called] La ricerca sperimentale sulla materia condensata è ovunque e ha un impatto molto grande sul modo in cui operiamo nel mondo. La fisica ha lanciato invenzioni che hanno cambiato il mondo, la nostra comprensione di esso e il modo in cui lo gestiamo”, afferma.
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
