Interruttore per elettroni: i ricercatori creano un'interfaccia conduttiva nei materiali nichelati
Un passo significativo verso l'elettronica controllata dalla luce
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Utilizzando la luce ultravioletta (UV), gli scienziati sono riusciti ad attivare e disattivare in pochi secondi uno stato estremamente conduttivo all'interfaccia tra due materiali ossidi. Questo "interruttore luminoso per elettroni" appena scoperto è un passo significativo verso l'elettronica controllata dalla luce e un giorno potrebbe avere un ruolo anche nella superconduttività. I risultati sono stati pubblicati su Nature Materials. Il team di ricerca internazionale comprende la professoressa Rossitza Pentcheva (Università di Duisburg-Essen), fisica teorica, e il suo ex collega Benjamin Geisler (Università della Florida).
L'aspetto chiave del nostro lavoro è che uno stato eccezionalmente conduttivo può essere acceso e spento solo dalla luce, quasi come se si azionasse un interruttore", spiega la professoressa Pentcheva del Dipartimento di Fisica dell'Università di Duisburg-Essen (UDE). Questo apre nuove possibilità di manipolare la superconduttività nei nichelati utilizzando impulsi di luce ultraveloci".
Al centro dell'indagine c'è l'NdNiO₂, un rappresentante dei cosiddetti nichelati a strato infinito. Questa classe di materiali è simile ai superconduttori ad alta temperatura a base di ossido di rame e ha guadagnato un'attenzione crescente negli ultimi anni, poiché diventa superconduttrice in condizioni specifiche.
Già nel 2020, Geisler e Pentcheva avevano previsto che all'interfaccia tra il nichelato NdNiO₂ e l'isolante titanato di stronzio (SrTiO₃) si sarebbe potuto formare un cosiddetto gas di elettroni bidimensionale - uno strato estremamente sottile in cui gli elettroni si muovono quasi senza resistenza. Tali stati sono considerati fondamentali per gli sviluppi futuri della nanoelettronica, della spintronica e dell'informazione quantistica. Tuttavia, negli esperimenti precedenti questo gas di elettroni non appariva, poiché gli atomi all'interfaccia si mescolavano più fortemente del previsto - come dimostrato in uno studio collaborativo delle Università di Cornell, Stanford e Duisburg-Essen pubblicato nel 2023 su Nature Materials.
Il team di ricerca internazionale ha ora impiegato la luce come stimolo mirato: nei loro esperimenti hanno illuminato l'interfaccia con luce ultravioletta, misurando contemporaneamente la sua conduttività elettrica. Parallelamente, Geisler e Pentcheva hanno effettuato simulazioni quantomeccaniche sul supercomputer dell'UDE per descrivere con precisione il comportamento degli elettroni.
Quando la luce viene accesa, il materiale cambia bruscamente: la sua resistenza elettrica diminuisce fino a un fattore di centomila: il campione improvvisamente conduce circa 100.000 volte meglio", spiega Pentcheva. L'effetto è causato da un minuscolo campo elettrico all'interfaccia, che incanala gli elettroni indotti dai raggi UV lungo una traccia invisibile in uno strato ultrasottile. Qui si muovono con notevole facilità e formano un gas di elettroni altamente conduttivo. Non appena la luce viene spenta, questo stato scompare completamente: il materiale torna alla sua condizione originale senza alcun cambiamento duraturo.
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Pubblicazione originale
David Sanchez-Manzano, G. Krieger, A. Raji, B. Geisler, H. Sahib, V. Humbert, H. Jaffrès, J. Santamaría, R. Pentcheva, A. Gloter, D. Preziosi, Javier E. Villegas; "Giant photoconductance at infinite-layer nickelate/SrTiO3 interfaces via an optically induced high-mobility electron gas"; Nature Materials, 2025-10-10
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