La prima applicazione pratica del flusso di elettroni viscidi realizza la fotoconduttività del terahertz nel grafene

9 novembre 2024 funzione

Questo articolo è stato revisionato in base al processo editoriale di Science X e alle politiche. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità dei contenuti:

verificato

pubblicazione sottoposta a revisione paritaria

fonte affidabile

corretto

da Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Quando la luce colpisce la superficie di alcuni materiali, in particolare quelli che mostrano una proprietà nota come fotoresistenza, può indurre cambiamenti nella loro conducibilità elettrica. Il grafene è tra questi materiali, poiché la luce incidente può eccitare gli elettroni al suo interno, influenzando la sua fotoconducibilità.

Dei ricercatori presso l'Università Nazionale di Singapore segnalano una deviazione dal comportamento standard della fotoresistenza nel grafene metallico dopato. Il loro articolo, pubblicato su Nature Nanotechnology, mostra che quando esposti a radiazioni terahertz (THz) a onda continua, gli elettroni di Dirac in questo materiale possono essere termicamente disaccoppiati dalla griglia, favorendo il loro trasporto idrodinamico.

'Le nostre ricerche sono emerse dal crescente riconoscimento che i modelli tradizionali del comportamento degli elettroni non catturano appieno le proprietà di certi materiali avanzati, in particolare nel mondo quantistico', ha dichiarato Denis Bandurin, professore assistente presso NUS, responsabile del laboratorio sperimentale di fisica della materia condensata e autore principale dell'articolo, a Tech Xplore.

'Per lungo tempo abbiamo trattato gli elettroni come particelle indipendenti, simili agli atomi in un gas, rendendo il modello più semplice. Tuttavia, molti fenomeni osservati nei materiali quantistici non potevano essere spiegati. Studi recenti, però, suggeriscono che in determinate condizioni gli elettroni in questi materiali si comportano collettivamente, come un fluido, ossia interagiscono e 'fluiscono' insieme.'

L'obiettivo principale dello studio di Bandurin e dei suoi colleghi era esplorare ulteriormente il comportamento simile a un fluido degli elettroni nel grafene riportato in studi recenti. In particolare, il team ha cercato di determinare se il flusso viscoso degli elettroni osservato nel grafene potesse contribuire a risolvere una sfida da tempo presente nel campo dell'optoelettronica, ossia quella della rilevazione delle radiazioni THz.

'Le onde THz, che si collocano tra le microonde e l'infrarosso nello spettro, sono difficili da rilevare ma hanno enormi potenziali applicazioni', ha detto Bandurin. 'Abbiamo voluto vedere se il comportamento simile a un fluido degli elettroni potesse potenziare la risposta del grafene alle radiazioni THz, creando potenzialmente un rilevatore pratico e ad alta velocità per questa impegnativa gamma di spettro elettromagnetico.'

Per esplorare gli effetti delle onde THz sulla conducibilità elettrica del grafene, il team ha preparato campioni di grafene monolayer 'dopati' con elettroni aggiuntivi, che li facevano comportare più come metalli. Per realizzare una rilevazione efficiente in questi campioni, il team ha dovuto elaborarli ulteriormente, poiché la conducibilità elettrica del grafene non è sensibile al riscaldamento tramite radiazioni THz.

'Per affrontare questo problema, abbiamo progettato i nostri campioni con una restrizione stretta che consente agli effetti viscosi di cambiare la conducibilità dei campioni esposti alle radiazioni THz', ha spiegato Mikhail Kravtsov, il primo autore dell'articolo. 'Utilizzando strumenti di misurazione ad alta precisione, abbiamo potuto monitorare i cambiamenti nello spostamento degli elettroni e nella resistenza elettrica all'interno del grafene mentre interagiva con le onde THz.'

Interessantemente, i ricercatori hanno osservato che quando i campioni di grafene metallico dopati erano sotto l'influenza della luce THz, la viscosità dei loro elettroni simili a un fluido diminuiva. Ciò permetteva agli elettroni di fluire più facilmente attraverso il materiale (cioè, con minor resistenza).

Bandurin e i suoi colleghi hanno catturato questo effetto osservato in bolometri elettronici viscosi di nuova concezione. Questi dispositivi possono promettere una rilevazione di variazioni nella conducibilità elettrica a velocità estremamente elevate.

'Il risultato più entusiasmante del nostro studio è stato lo sviluppo della prima applicazione pratica del flusso viscoso degli elettroni, un concetto precedentemente considerato esclusivamente teorico', ha detto Bandurin.

'Utilizzando le onde THz per alterare la viscosità degli elettroni nel grafene, abbiamo creato con successo un dispositivo che rileva le radiazioni THz con elevata sensibilità e velocità. Questo è un risultato significativo perché apre nuove possibilità per l'utilizzo della tecnologia THz in applicazioni reali, qualcosa che è stato difficile da realizzare.'

Il recente studio condotto da questo team di ricercatori potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di varie tecnologie THz ultraveloci e ad alte prestazioni. Ad esempio, potrebbe informare lo sviluppo della tecnologia di comunicazione wireless di prossima generazione (6G e oltre), dei sistemi di navigazione per veicoli autonomi e degli strumenti per catturare immagini astronomiche ad alta risoluzione. "Con il miglioramento della nostra capacità di rilevare la luce THz, potremmo anche migliorare i processi industriali, come il controllo di qualità e l'imaging medico, dove questo sensore non distruttivo ha mostrato promesse," ha dichiarato Bandurin. "Guardando avanti, il nostro obiettivo principale sarà quello di perfezionare questi bolometri elettronici viscosi e renderli il più efficienti e pratici possibile per un utilizzo diffuso. Stiamo esplorando modi per ottimizzarne la sensibilità e la durata, garantendo che possano operare in modo efficiente in una varietà di condizioni e applicazioni." Nei loro prossimi studi, Bandurin e i suoi colleghi prevedono anche di studiare altri materiali quantistici che mostrano comportamenti simili agli elettroni simili a un fluido. Ciò consentirà loro di determinare se, rispetto al grafene, questi materiali mostrano risposte simili o forse ancora più accentuate alla radiazione THz. "Comprendere come sfruttare più ampiamente questo comportamento collettivo degli elettroni potrebbe aprire la strada a dispositivi più avanzati nell'optoelettronica e nella tecnologia quantistica, potenzialmente portando a una svolta nella trasmissione di dati, nell'immagine e oltre," ha aggiunto Bandurin. Maggiori informazioni: M. Kravtsov et al, Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y © 2024 Science X Network