Il curioso fisico americano Richard Feynman ha posto queste domande nella sua storica conferenza del 1959, There’s Plenty of Room at the Bottom. Brulicava di idee profonde sulla “manipolazione e controllo delle cose su scala atomica“, usando la meccanica quantistica.
All’epoca inverosimile, ora la manipolazione di strati di atomi è un’importante area di ricerca. Per realizzare la visione di Feynman, i ricercatori dell’IBM e dei Bell Labs negli Stati Uniti hanno dovuto escogitare un nuovo approccio alla costruzione dei materiali strato per strato: l’epitassia del fascio molecolare o MBE.
Questo può essere paragonato alla verniciatura a spruzzo con atomi. Inizi vaporizzando materiali sorgente ultra puri come gallio, alluminio o indio, e li combini con materiali come arsenico o fosforo. Gli atomi vaporizzati volano attraverso una camera a vuoto verso uno strato di base costituito da materiali simili. Gli atomi si attaccano ad esso e costruiscono lentamente un cristallo uno strato atomico alla volta. L’ultra alto vuoto assicura che le impurità siano minime.
Architetti atomici
Sebbene il processo sia relativamente lento, in genere solo pochi strati atomici al minuto, la precisione è notevole. Consente ai tecnici di impilare diversi materiali semiconduttori uno sopra l’altro per creare cristalli noti come eterostrutture, che possono avere proprietà estremamente utili. Impilando alternativamente strati di arseniuro di alluminio e arseniuro di gallio, ad esempio, è possibile produrre un materiale estremamente efficace per immagazzinare elettricità.
Una volta perfezionata questa tecnica negli anni ’90 e 2000, gli scienziati sono stati in grado di controllare il numero di elettroni e le loro energie in un particolare cristallo. E poiché la luce interagisce quindi con questi elettroni, avere un maggiore controllo sul comportamento degli elettroni significa anche ottenere un maggiore controllo su come vengono stimolati dalla luce.
Le eterostrutture hanno portato a molte nuove scoperte, in particolare per quanto riguarda il comportamento quantistico di particelle come gli elettroni al loro interno. I premi Nobel per la fisica sono stati assegnati cinque volte ( 1973, 1985, 1998, 2000 e 2014 ) e i materiali risultanti hanno rivoluzionato la civiltà.
Le eterostrutture a semiconduttore abilitano celle solari, LED, laser e transistor ultraveloci. Anche Internet sarebbe altrimenti impossibile: i laser che inviano gli impulsi luminosi che codificano i bit di informazioni online sono costituiti da eterostrutture, così come i fotorivelatori che misurano questi impulsi luminosi e decodificano le informazioni.
Ci sono restrizioni, tuttavia. La dimensione atomica, la spaziatura e la disposizione di queste eterostrutture non possono essere troppo dissimili tra gli strati senza che insorgano difetti. Ciò limita le possibili combinazioni di materiali e il potenziale per progettare liberamente le proprietà elettroniche e ottiche.
Inoltre, i cristalli sono naturalmente costituiti da atomi che formano legami in tutte e tre le direzioni. Ciò significa che ci sono sempre atomi insoddisfatti con legami “pendenti” ai bordi. Le impurità estranee cercano questi legami e creano difetti che possono distruggere altre proprietà. Ciò diventa particolarmente importante con i cristalli più piccoli, impedendo loro di integrarsi completamente nei moderni transistor, laser e così via.
Inserisci i cristalli 2D
Il massimo in fogli di materiali ultrasottili è un singolo strato di atomi. Fortunatamente, la natura ha ideato tali “cristalli bidimensionali“. Il più famoso è il grafene, che sono solo atomi di carbonio disposti in uno schema esagonale.
Il grafene è più forte dell’acciaio e conduce l’elettricità meglio del rame. Ha molte proprietà elettroniche, ottiche e meccaniche uniche e talvolta esotiche, come riconosciuto dal Premio Nobel per la fisica per la sua scoperta nel 2010.
In un perfetto cristallo di grafene, tutti gli atomi sono completamente legati l’uno all’altro e non ci sono legami penzolanti. È notoriamente possibile produrre grafene staccando strati di grafite usando lo scotch: la grafite è in realtà molti strati di grafene tutti tenuti insieme dalle forze di Van der Waals, che sono molto più deboli dei legami in ogni foglio costituente di grafene.
Oltre al grafene, ci sono molti altri cristalli 2D, ognuno con proprietà uniche. Molti si trovano naturalmente come gemme nel terreno, come il disolfuro di molibdnimum, un importante lubrificante industriale. Altri possono essere prodotti mediante epitassia a fascio molecolare, come l’isolante nitruro di boro, e cristalli della stessa famiglia di dicalcogenuri di metalli di transizione del disolfuro di molibdnimo.
Come il grafene sta alla grafite, gli scienziati “sbucciano” (o esfoliano) singoli fogli 2D da quantità maggiori di questi composti. La sottigliezza intrinseca di questi fogli significa che possono comportarsi in modo abbastanza diverso dalle eterostrutture descritte in precedenza. Diversi materiali atomicamente sottili possono essere isolanti, semiconduttori, metallici, magnetici o addirittura superconduttori.
Gli scienziati sono anche in grado di selezionare, posizionare e combinare questi materiali a piacimento per formare nuove eterostrutture, note come eterostrutture di Van der Waals, con proprietà diverse rispetto ai fogli 2D. Fondamentalmente, questi non hanno le stesse limitazioni dei loro cugini costituiti dall’epitassia del fascio molecolare. Possono comprendere strati di cristalli atomici molto diversi, consentendo possibilità senza precedenti e illimitate di combinare materiali diversi.
Ad esempio, è possibile combinare strati magnetici con semiconduttori e isolanti senza attirare contaminanti come umidità o ossidi tra gli strati, cosa impossibile con le eterostrutture epitassiali. Questo può essere utilizzato per creare dispositivi che controllano il magnetismo utilizzando l’elettricità, che è la base per la memoria magnetica nei dischi rigidi.
Puoi anche impilare insieme due strati atomici identici con uno ruotato ad angolo. Questo crea un reticolo chiamato motivo moiré, che fornisce un nuovo grado di libertà per progettare le proprietà elettroniche e ottiche.
Mentre le eterostrutture di Van der Waals sono ancora agli inizi, stanno già emergendo nuove impressionanti fisiche e capacità. Questi includono versioni più piccole, più leggere, più flessibili e più efficienti di celle solari, LED, transistor e memoria magnetica.
In futuro, possiamo aspettarci sorprese non immaginate in precedenza. Un primo esempio è la recente scoperta che quando si attorcigliano due strati di grafene ad un “angolo magico” l’uno rispetto all’altro, gli elettroni diventano superconduttori. Questa svolta, non ancora chiaramente compresa, potrebbe svelare misteri vecchi di 30 anni su come gli elettroni possono navigare tra i superconduttori senza perdere energia. Potrebbe permetterci di utilizzare superconduttori a temperatura ambiente, con potenziali vantaggi per qualsiasi cosa, dall’imaging medico ai computer quantistici alla trasmissione di elettricità a lunghe distanze.
Tuttavia, prevedere i risultati tecnologici non è facile. Come disse spesso Herbert Kroemer, che ha condiviso il Premio Nobel nel 2000 per lo sviluppo di eterostrutture di semiconduttori utilizzate nell’alta velocità e nell’optoelettronica:
Le principali applicazioni di qualsiasi tecnologia sufficientemente nuova e innovativa sono sempre state e continueranno ad essere applicazioni create da quella tecnologia.
Autore
Brian Gerardot, Università Heriot-Watt
