Quando i difetti del materiale diventano vettori di energia
Ricercatori di Kiel scoprono un nuovo meccanismo di trasporto dell’energia nei materiali di spessore atomico
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I difetti atomici sono inevitabili: nessun materiale è completamente privo di difetti. Ciò che per molto tempo è stato considerato soprattutto un punto debole, potrebbe però rivelarsi anche un punto di forza. I ricercatori dell’Università Christian-Albrechts di Kiel (CAU) hanno ora dimostrato che tali difetti non solo assorbono energia, ma sono anche in grado di trasmetterla in modo mirato. Un team guidato da Nahid Talebi, professoressa di nanoottica alla CAU, ha recentemente pubblicato uno studio al riguardo sulla rivista specializzata ACS Nano.
I difetti formano una rete
Il funzionamento del trasporto di energia è evidente nell’interazione tra due materiali spessi solo pochi strati atomici: una perovskite, in grado di assorbire energia, e il nitruro di boro esagonale. Quest’ultima classe di materiali è costituita da atomi di boro e azoto, che normalmente sono disposti in modo regolare. In alcuni punti, tuttavia, si riscontra una deviazione da questa struttura. Questi difetti atomici possono assorbire energia dalla perovskite e trasmetterla ad altri difetti. L’energia nella perovskite si presenta inizialmente in uno stato eccitato, che i fisici chiamano «eccitone». Il team ipotizza che l’energia passi da questi stati ai difetti presenti nel nitruro di boro.
La distanza alla quale l’energia può propagarsi attraverso questa rete di difetti è insolitamente ampia: il team è riuscito a rilevare il segnale fino a una distanza di 150 micrometri dal punto di eccitazione originario. Ciò corrisponde all’incirca alla larghezza di un capello umano. La lunghezza di trasporto dell’energia misurata era di circa 142 micrometri.
Per spiegare questa distanza, secondo gli esperimenti, gli approcci convenzionali come il solo movimento degli eccitoni o una guida d’onda ottica non sono sufficienti. I ricercatori attribuiscono il trasporto di energia osservato principalmente alle interazioni tra i difetti e al ripetuto assorbimento ed emissione di luce all’interno della rete di difetti.
Determinante per la scoperta è stato uno speciale metodo di misurazione della catodoluminescenza sviluppato dal team di nanoottica di Kiel. In questo processo, i ricercatori hanno eccitato il materiale con un fascio di elettroni e hanno raccolto la luce risultante con una fibra ottica. Il fascio di elettroni è rimasto sempre nello stesso punto, mentre la fibra veniva allontanata gradualmente da esso. Contemporaneamente, osservando ciò che accadeva al microscopio elettronico, hanno constatato che il segnale luminoso era ancora presente anche a grande distanza dal punto di eccitazione.
Nuove possibilità per le tecnologie ottiche e quantistiche
«Molti materiali quantistici devono normalmente essere raffreddati affinché si possano osservare le loro proprietà. Il nostro effetto, invece, si verifica a temperatura ambiente. Ciò lo rende particolarmente interessante da approfondire», afferma Talebi, membro del centro di ricerca KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science. In questo centro, gli scienziati studiano, tra l’altro, materiali su scala nanometrica e interfacce per applicazioni nella tecnologia quantistica. Il team intravede inoltre un potenziale per nuovi componenti in cui l’energia o le informazioni vengono trasportate tramite eccitazioni indotte dalla luce.
Come prossimo passo, i ricercatori intendono scoprire come controllare in modo mirato lo scambio di energia nel materiale studiato. Talebi spera che ciò favorisca l’ulteriore sviluppo di materiali quantistici ibridi. L’articolo fornisce innanzitutto le basi fisiche a tal fine e cita, ad esempio, i trasduttori quantistici, che trasmettono informazioni quantistiche tra diversi sistemi, e i collegamenti optoelettronici per la trasmissione rapida dei dati come possibili applicazioni.
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