Wetenschap
Onderzoek toont aan hoe licht een isolatiemateriaal in een halfmetaal kan transformeren
De elementen in het periodiek systeem zijn onderverdeeld in metalen, halfmetalen en niet-metalen. Het onderscheid is gebaseerd op hun chemische en fysische eigenschappen en wordt vooral bepaald door de beweging van elektronen en het vermogen van de materialen om elektrische energie te geleiden:metalen zijn uitstekende geleiders, halfmetalen hebben een beperkte geleidbaarheid, niet-metalen zijn isolatiematerialen, ze geleiden geen elektriciteit.
Deze toestanden zijn echter niet onveranderlijk. We weten dat een isolatiemateriaal in een metaal kan worden omgezet:met chemie, door atomen met een verschillend aantal elektronen in het materiaal te introduceren; of met zeer hoge druk, een toestand die alleen kan worden gecreëerd in speciale laboratoria en die moeilijk over te dragen is naar andere technologische toepassingen.
Wetenschappelijke vooruitgang heeft de resultaten gepubliceerd van een studie uitgevoerd door het Departement Natuurkunde van de Universiteit van Trento, het Departement Natuurkunde van de University of California Berkeley en de Materials Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory, waarin een derde weg wordt voorgesteld voor de transformatie van een isolatiemateriaal tot een halfmetaal.
‘We hebben waargenomen dat het, door isolatiemateriaal bloot te stellen aan ultrasnelle laserpulsen (10 femtoseconden, of 10 miljoen miljardste van een seconde), mogelijk is om de beweging van elektronen te veranderen’, zegt Alessandra Lanzara, hoogleraar natuurkunde aan de UC Berkeley en corresponderende auteur van de studie, samen met Ph.D. student Maxi Huber, hoofdauteur van het artikel.
Dit resultaat kan alleen worden bereikt door foto-excitatie boven een drempelwaarde en met het juiste materiaal. "We gebruikten titaniumdiselenide (1T-TiSe2 ), een materiaal dat ik tijdens mijn carrière diepgaand heb kunnen bestuderen", zeggen professor Matteo Calandra van UniTrento en onderzoeker Giovanni Marini, co-auteurs van het onderzoek.
"Titaniumdiselenide heeft heel bijzondere eigenschappen:het is een isolatiemateriaal, maar het ziet eruit als een metaal. Het is bijvoorbeeld helder, terwijl niet-geleiders meestal ondoorzichtig zijn en geen licht reflecteren."
Gebaseerd op de experimentele resultaten en berekeningen van de twee onderzoeksteams, verandert het blootstellen van dit materiaal aan ultrasnelle laserpulsen de energietoestanden en de beweging van de elektronen en transformeert het, boven een drempelfluentie, in een halfmetaal voor een korte periode (slechts minder dan 500 femtoseconden).
Er is een verschil met de chemische transformatie:de transformatie van het materiaal is niet permanent en zodra de blootstelling aan de laser wordt onderbroken, keert het terug naar de oorspronkelijke staat. Dit proces vermenigvuldigt de mogelijke toepassingen.
"We kunnen ons bijvoorbeeld apparaten voorstellen met eigenschappen die in zeer korte tijd veranderen van isolerend naar semi-metaalachtig, een noodzakelijke eigenschap om veel krachtigere computers te ontwikkelen, die in staat zijn om in zeer korte tijd complexe berekeningen te verwerken. Tegenwoordig is de rekencapaciteit gebaseerd op het gebruik van elektrische velden, maar de mogelijkheid om licht te gebruiken opent nieuwe horizonten op dit toepassingsgebied."
UniTrento werkte aan het theoretische en simulatiegedeelte van het artikel. De Universiteit van Berkley concentreerde zich op het experimentele deel van het onderzoek.