Undersøgelse viser, hvordan lys kan omdanne et isolerende materiale til et halvmetal

Grundstofferne i det periodiske system er opdelt i metaller, halvmetaller og ikke-metaller. Sondringen er baseret på deres kemiske og fysiske egenskaber og bestemmes især af elektronernes bevægelse og materialernes evne til at lede elektrisk energi:metaller er fremragende ledere, halvmetaller har begrænset ledningsevne, ikke-metaller er isolerende materialer, de led ikke elektricitet.

Disse tilstande er imidlertid ikke uforanderlige. Vi ved, at et isolerende materiale kan omdannes til et metal:med kemi, ved at indføre atomer med et andet antal elektroner i materialet; eller med meget høje tryk, en tilstand, der kun kan skabes i dedikerede laboratorier, og som er svære at overføre til andre teknologiske applikationer.

Videnskabelige fremskridt har offentliggjort resultaterne af en undersøgelse udført af Department of Physics ved University of Trento, Department of Physics ved University of California Berkeley og Materials Science Division af Lawrence Berkeley National Laboratory, der foreslår en tredje måde at transformere en isolerende materiale til et halvmetal.

"Vi har observeret, at ved at udsætte et isolerende materiale for ultrahurtige laserimpulser (10 femtosekunder, eller 10 millioner milliardtedele af et sekund), er det muligt at ændre elektronernes bevægelse," siger Alessandra Lanzara, professor i fysik fra UC Berkeley og tilsvarende forfatter til undersøgelsen, sammen med ph.d. studerende Maxi Huber, ledende forfatter af papiret.

Dette resultat kan kun opnås gennem fotoexcitation over en tærskelfluens og med det passende materiale. "Vi brugte titandiselenid (1T-TiSe₂ ), et materiale, som jeg havde mulighed for at studere i stor dybde i løbet af min karriere," siger professor Matteo Calandra fra UniTrento og forsker Giovanni Marini, medforfattere til undersøgelsen.

"Titaniumdiselenid har helt særlige egenskaber:Det er et isolerende materiale, men det ligner et metal. Det er for eksempel lyst, mens ikke-ledere normalt er uigennemsigtige og ikke reflekterer lys."

Baseret på de to forskerholds eksperimentelle resultater og beregninger ændrer udsættelse af dette materiale for ultrahurtige laserimpulser dets energitilstande og elektronernes bevægelse, og over en tærskelfluens omdanner det det til et halvmetal i en kort periode (kun under 500 femtosekunder).

Der er en forskel i forhold til den kemiske transformation:Materialets transformation er ikke permanent, og så snart eksponeringen til laseren afbrydes, vender den tilbage til sin oprindelige tilstand. Denne proces multiplicerer de mulige applikationer.

"For eksempel," forklarer Calandra, "kan vi forestille os enheder med egenskaber, der skifter fra isolerende til semi-metalliske på meget kort tid, en nødvendig funktion for at udvikle meget mere kraftfulde computere, der er i stand til at behandle komplekse beregninger på meget kort tid. I dag er regnekapaciteten baseret på brugen af ​​elektriske felter, men muligheden for at bruge lys åbner nye horisonter inden for dette anvendelsesområde."

UniTrento arbejdede på den teoretiske og simuleringsdel af papiret. University of Berkley fokuserede på den eksperimentelle del af forskningen.

Flere oplysninger: Maximilian Huber et al., Ultrahurtig skabelse af en lys-induceret semimetallisk tilstand i stærkt exciteret 1T-TiSe₂ , Videnskabelige fremskridt (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl4481

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Trento