Flusso di energia nei semiconduttori: nuove conoscenze grazie alla spettroscopia ultraveloce
Inimmaginabilmente piccolo
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Per la prima volta e con una precisione senza precedenti, un team di ricercatori dell'Università di Basilea ha osservato meccanismi unici di flusso di energia in un materiale semiconduttore in seguito all'eccitazione da parte di impulsi laser estremamente brevi. Una migliore comprensione di questi flussi di energia è fondamentale per migliorare l'efficienza dei dispositivi elettronici e dei chip per computer.
Che si tratti di uno smartphone o di un computer portatile, i semiconduttori costituiscono la base dell'elettronica moderna e ci accompagnano costantemente nella vita quotidiana. I processi che avvengono all'interno di questi materiali sono oggetto di continue ricerche. Quando gli elettroni di un materiale semiconduttore vengono attivati dalla luce o da una tensione elettrica, gli elettroni eccitati mettono in movimento anche il reticolo atomico. Ne derivano vibrazioni collettive degli atomi, note come fononi o vibrazioni del reticolo, che interagiscono tra loro e con gli elettroni stessi.
Queste minuscole vibrazioni del reticolo giocano un ruolo fondamentale nel modo in cui l'energia fluisce e si dissipa attraverso il materiale - in altre parole, nell'efficienza con cui l'energia viene ridistribuita e nella forza con cui il materiale si riscalda. È possibile utilizzare diversi approcci per controllare e monitorare la propagazione delle vibrazioni reticolari e quindi rendere il semiconduttore più efficace ed efficiente.
La conoscenza dettagliata dei meccanismi di perdita di energia e del potenziale surriscaldamento è essenziale per progettare nuovi materiali e dispositivi che si riscaldino meno, si riprendano più velocemente o rispondano in modo più preciso alle eccitazioni esterne. Un team guidato dalla professoressa Ilaria Zardo dell'Università di Basilea riferisce di un'accuratezza senza precedenti nelle misurazioni dei processi di flusso di energia all'interno del semiconduttore germanio, spesso utilizzato nella tecnologia informatica, come pubblicato sulla rivista Advanced Science.
Flusso di energia a seguito di eccitazione ultraveloce
Il team del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto Svizzero di Nanoscienza ha sviluppato una tecnica unica che può essere utilizzata per misurare con precisione il modo in cui gli elettroni e i fononi si muovono e scambiano energia all'interno del reticolo cristallino del materiale analizzato in seguito all'eccitazione con impulsi laser ultracorti di soli 30 femtosecondi (1 femtosecondo equivale a 10-15 secondi). In questo modo, i fisici sono stati in grado di mostrare come l'energia fluisce, come viene trasferita e come viene convertita in calore all'interno del materiale.
"Per la prima volta, la combinazione di due tecniche spettroscopiche ci ha permesso di osservare come l'energia viene trasferita passo dopo passo dal sistema elettronico al reticolo. Possiamo anche osservare come la frequenza, l'intensità e la durata delle vibrazioni del reticolo cambino nel tempo in seguito all'eccitazione", spiega la dottoressa Grazia Raciti, prima autrice della pubblicazione.
Inimmaginabilmente piccolo
In questo caso, una delle tecniche spettroscopiche, nota come spettroscopia Raman risolta nel tempo, misura minuscoli cambiamenti nelle vibrazioni del reticolo atomico. La seconda tecnica, nota come spettroscopia a riflessione transitoria, registra il cambiamento del comportamento della luce in seguito a una breve eccitazione.
La sfida di queste misure è legata ai minuscoli segnali e ai tempi in cui avvengono le interazioni. Con misurazioni che durano 48 ore, il sistema viene eccitato con un breve impulso laser una volta al microsecondo. I cambiamenti osservati nel sistema avvengono quindi su una scala temporale di picosecondi. La dottoressa Begoña Abad Mayor, ricercatrice del team di Zardo, spiega queste dimensioni inimmaginabili con un'analogia: "Se immaginiamo che l'intervallo di tempo tra due impulsi laser (che in realtà è di 1 microsecondo) duri 10 giorni, allora la risposta del campione che registriamo nel semiconduttore dura appena un secondo".
Di conseguenza, queste misure accedono a tempi incredibilmente rapidi con una sensibilità estremamente elevata. I ricercatori sono in grado di rilevare variazioni minime di intensità inferiore all'1% e di frequenza inferiore a 0,2 cm-¹. Con questa risoluzione temporale ed energetica su scala atomica, è possibile distinguere tra vari meccanismi di perdita di energia.
I ricercatori del Dipartimento di Fisica e dell'Istituto Svizzero di Nanoscienza dell'Università di Basilea hanno integrato le loro indagini sperimentali con simulazioni al computer all'avanguardia. Ciò ha permesso di comprendere in dettaglio i processi fisici alla base dei risultati delle misurazioni.
Comprensione necessaria per ulteriori sviluppi
Il risultato combinato fornisce un quadro dettagliato di come l'energia viene distribuita e dissipata nel germanio in seguito a un'eccitazione ultraveloce. "Questa ricerca di base è fondamentale per comprendere e sviluppare ulteriormente l'elettronica moderna e i nuovi componenti fonici e può quindi portare a chip, sensori o altri dispositivi elettronici migliori", afferma Zardo.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Grazia Raciti, Begoña Abad, Riccardo Dettori, Raja Sen, Aswathi K. Sivan, Jose M. Sojo‐Gordillo, Nathalie Vast, Riccardo Rurali, Claudio Melis, Jelena Sjakste, Ilaria Zardo; "Unraveling Energy Flow Mechanisms in Semiconductors by Ultrafast Spectroscopy: Germanium as a Case Study"; Advanced Science, 2026-1-12
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