Grundämnena i det periodiska systemet är indelade i metaller, halvmetaller och icke-metaller. Distinktionen baseras på deras kemiska och fysikaliska egenskaper och bestäms i synnerhet av elektronernas rörelser och materialens förmåga att leda elektrisk energi:metaller är utmärkta ledare, halvmetaller har begränsad ledningsförmåga, icke-metaller är isolerande material, de led inte elektricitet.
Dessa tillstånd är emellertid inte oföränderliga. Vi vet att ett isolerande material kan omvandlas till en metall:med kemi, genom att föra in atomer med olika antal elektroner i materialet; eller med mycket höga tryck, ett tillstånd som bara kan skapas i dedikerade laboratorier och som är svårt att överföra till andra tekniska tillämpningar.
Vetenskapens framsteg har publicerat resultaten av en studie utförd av Department of Physics vid University of Trento, Department of Physics vid University of California Berkeley och Materials Science Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory som föreslår ett tredje sätt för omvandling av en isolerande material till en halvmetall.
"Vi har observerat att genom att utsätta ett isolerande material för ultrasnabba laserpulser (10 femtosekunder, eller 10 miljoner miljarddels sekund), är det möjligt att förändra elektronernas rörelse", säger Alessandra Lanzara, professor i fysik från UC Berkeley och motsvarande författare till studien, tillsammans med Ph.D. student Maxi Huber, ledande författare av tidningen.
Detta resultat kan endast uppnås genom fotoexcitation över en tröskelfluens och med lämpligt material. "Vi använde titandiselenid (1T-TiSe2 ), ett material som jag fick möjlighet att studera på djupet under min karriär", säger professor Matteo Calandra från UniTrento och forskaren Giovanni Marini, medförfattare till studien.
"Titaniumdiselenid har mycket speciella egenskaper:det är ett isolerande material, men det ser ut som en metall. Till exempel är det ljust, medan icke-ledare vanligtvis är ogenomskinliga och inte reflekterar ljus."
Baserat på de experimentella resultaten och beräkningarna från de två forskarteamen ändrar exponering av detta material för ultrasnabba laserpulser dess energitillstånd och elektronernas rörelse och, över en tröskelfluens, omvandlar det till en halvmetall under en kort tidsperiod (bara under 500 femtosekunder).
Det finns en skillnad jämfört med den kemiska omvandlingen:materialets omvandling är inte permanent och så fort exponeringen för lasern avbryts återgår den till sitt ursprungliga tillstånd. Denna process multiplicerar de möjliga tillämpningarna.
"Till exempel," förklarar Calandra, "kan vi föreställa oss enheter med egenskaper som ändras från isolerande till halvmetalliska på mycket kort tid, en nödvändig funktion för att utveckla mycket kraftfullare datorer, som kan bearbeta komplexa beräkningar på mycket kort tid. Idag är beräkningskapaciteten baserad på användningen av elektriska fält, men möjligheten att använda ljus öppnar nya vyer inom detta användningsområde."
UniTrento arbetade med den teoretiska delen och simuleringsdelen av uppsatsen. University of Berkley fokuserade på den experimentella delen av forskningen.
Mer information: Maximilian Huber et al, Ultrasnabb skapande av ett ljusinducerat semimetalliskt tillstånd i starkt exciterad 1T-TiSe2 , Vetenskapens framsteg (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl4481
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Trento
