Un potente laser ultravioletto rivela come le particelle si muovono attraverso i diamanti
La ricerca rappresenta un passo avanti nello sviluppo di nuove tecnologie elettroniche.
Schema di come la luce infrarossa è stata trasformata in un laser ultravioletto per studiare i diamanti. Credito immagine: Steven Burrows/Gruppi Murnane e Kapteyn
I diamanti sono eterni e sono i migliori amici delle ragazze. Fanno anche parte di una classe di materiali noti come semiconduttori a banda proibita ultralarga. Questi sono considerati un componente chiave dell’elettronica di nuova generazione poiché possono gestire tensioni più elevate, operare a frequenze più alte e sono più efficienti rispetto ai tradizionali design in silicio. Tuttavia, un problema è che il modo in cui le cariche elettriche e il calore si muovono nei diamanti è poco compreso. Ora, gli scienziati hanno sviluppato un microscopio basato su laser che ha permesso loro di studiare questo fenomeno su una scala senza precedenti.
I diamanti e materiali simili hanno la qualità di essere trasparenti alla luce visibile e infrarossa. Per studiare il movimento delle particelle in essi, era necessaria una forma di luce più energetica: la luce ultravioletta. Il team ha dovuto ideare un modo per costruire un laser ultravioletto profondo da tavolo che fornisse l’energia e la precisione richieste. Doveva generare schemi di calore su scala nanometrica sulla superficie di un materiale senza alterare il materiale stesso. Per farlo, il team ha iniziato con un laser vicino all’infrarosso con una lunghezza d’onda della luce di 800 nanometri (appena al limite della nostra visione). Hanno fatto passare la luce attraverso cristalli non lineari e ne hanno cambiato l’energia in modo che raggiungesse lunghezze d’onda sempre più corte, arrivando infine all’ultravioletto profondo (200 nanometri). Il team ha dovuto affrontare un processo di tentativi ed errori per allineare la luce attraverso tre cristalli successivi, per ottenere i risultati sperati.
“Abbiamo ideato un nuovo esperimento per ampliare ciò che il nostro laboratorio poteva studiare,” ha dichiarato Emma Nelson dell’Università del Colorado Boulder in un comunicato. “Ci sono voluti alcuni anni per far funzionare l’esperimento durante la pandemia, ma una volta che avevamo l’installazione, potevamo creare schemi su una scala mai raggiunta prima su un tavolo.” Il team ha utilizzato due fasci per creare un reticolo di diffrazione sulla superficie del materiale. La lunghezza d’onda è così piccola che fornisce la precisione nanometrica necessaria per le osservazioni. Sono stati infatti in grado di misurare come il calore, gli elettroni e le onde meccaniche si muovono attraverso materiali come l’oro e i diamanti, verificando le osservazioni con simulazioni al computer.
“Vedere l’esperimento funzionare e allinearsi con i modelli che abbiamo creato è stato un sollievo e un traguardo emozionante,” ha aggiunto Nelson. Il team ha scoperto che su scala nanometrica il trasporto di calore non è un flusso continuo e uniforme, ma può avere un comportamento balistico o presentare alcuni effetti idrodinamici. Ciò significa che può muoversi in linea retta senza dispersione o diffondersi come l’acqua che scorre attraverso canali. Il team ora prevede di migliorare ulteriormente il microscopio laser e studiare ancora più materiali che potrebbero essere presenti nell’elettronica di nuova generazione.
Lo studio è pubblicato su Physical Review Applied.