I fisici accelerano la ricerca di materiali atomici artificiali rivoluzionari

Gli scienziati dell’Università di Bath hanno compiuto un passo importante verso la comprensione dell’interazione tra strati di materiali atomicamente sottili disposti in pile. Sperano che la loro ricerca acceleri la scoperta di nuovi materiali artificiali, portando alla progettazione di componenti elettronici che sono molto più piccoli ed efficienti di qualsiasi cosa conosciuta oggi.

Più piccolo è sempre meglio nel mondo dei circuiti elettronici, ma c’è un limite a quanto è possibile ridurre un componente in silicio senza che si surriscaldi e si sfaldi, e siamo vicini a raggiungerlo.

Materiali atomici artificiali rivoluzionari

I ricercatori stanno studiando un gruppo di materiali atomicamente sottili che possono essere assemblati in pile. Le proprietà di qualsiasi materiale finale dipendono sia dalla scelta delle materie prime che dall’angolo di disposizione di uno strato sopra l’altro.

Il dottor Marcin Mucha-Kruczynski, che ha guidato la ricerca del Dipartimento di Fisica, ha affermato: “Abbiamo trovato un modo per determinare la forza con cui gli atomi in diversi strati di una pila sono accoppiati tra loro e abbiamo dimostrato l’applicazione di la nostra idea di una struttura composta da strati di grafene “.

La ricerca Bath, pubblicata su Nature Communications, si basa su precedenti lavori sul grafene, un cristallo caratterizzato da sottili fogli di atomi di carbonio disposti a nido d’ape. Nel 2018, gli scienziati del MIT hanno scoperto che quando due strati di grafene vengono impilati e poi attorcigliati l’uno rispetto all’altro, producono un materiale con proprietà superconduttive.

Questa è stata la prima volta che gli scienziati hanno creato un materiale superconduttore fatto esclusivamente di carbonio. Tuttavia, queste proprietà sono scomparse con il più piccolo cambiamento di angolo tra i due strati di grafene.

Dalla scoperta del MIT, gli scienziati di tutto il mondo hanno tentato di applicare questo fenomeno di “accatastamento e torsione” ad altri materiali ultrasottili, mettendo insieme due o più strutture atomicamente diverse nella speranza di formare materiali completamente nuovi con qualità speciali.

Due materiali possono normalmente essere messi insieme solo in un modo specifico perché i legami chimici devono formarsi tra gli strati. Tuttavia per materiali come il grafene, solo i legami chimici tra gli atomi sullo stesso piano sono forti. Le forze tra i piani sono deboli, e questo consente agli strati di materiale di essere attorcigliati l’uno rispetto all’altro.

Renderli più efficiente possibili

La sfida per gli scienziati ora è rendere il processo di scoperta di nuovi materiali stratificati il ​​più efficiente possibile. Trovando una formula che consenta loro di prevedere il risultato quando due o più materiali vengono impilati, saranno in grado di semplificare enormemente la loro ricerca.

“Il numero di combinazioni di materiali e il numero di angoli a cui possono essere attorcigliati è troppo grande per essere provato in laboratorio, quindi ciò che possiamo prevedere è importante“, ha affermato il dott. Mucha-Kruczynski. I ricercatori hanno dimostrato che l’interazione tra due strati può essere determinata studiando una struttura a tre strati in cui due strati sono assemblati come potresti trovare in natura, mentre il terzo è attorcigliato.

Hanno usato la spettroscopia di fotoemissione con risoluzione angolare, un processo in cui la luce potente espelle elettroni dal campione in modo che l’energia e la quantità di moto degli elettroni possano essere misurate, fornendo così informazioni sulle proprietà del materiale, per determinare la forza con cui due atomi di carbonio a data distanza l’uno dall’altro sono accoppiati.

Hanno anche dimostrato che il loro risultato può essere utilizzato per prevedere le proprietà di altre pile costituite dagli stessi strati, anche se le torsioni tra gli strati sono diverse. L’elenco dei materiali atomicamente sottili noti come il grafene è in continua crescita. Comprende già dozzine di voci che mostrano una vasta gamma di proprietà, dall’isolamento alla superconduttività, dalla trasparenza all’attività ottica, dalla fragilità alla flessibilità.

L’ultima scoperta fornisce un metodo per determinare sperimentalmente l’interazione tra gli strati di uno qualsiasi di questi materiali. Ciò è essenziale per prevedere le proprietà di stack più complicati e per la progettazione efficiente di nuovi dispositivi. Il dottor Mucha-Kruczynski ritiene che potrebbero passare 10 anni prima che i nuovi materiali impilati e attorcigliati trovino un’applicazione pratica e quotidiana.