Introduzione

I fisici di Svizzera, Germania e Francia hanno scoperto che le onde acustiche di grande ampiezza, lanciate da impulsi laser ultracorti, possono manipolare dinamicamente la risposta ottica dei semiconduttori. La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.

Il problema della temperatura

Una delle principali sfide nella ricerca della scienza dei materiali è quella di raggiungere un’elevata sintonizzazione delle proprietà ottiche dei semiconduttori a temperatura ambiente. Queste proprietà sono governate da “eccitoni“.

Gli eccitoni sono diventati sempre più importanti nell’optoelettronica e negli ultimi anni vi è stata una un’impennata nella ricerca dei parametri di controllo – temperatura, pressione, campi elettrici e magnetici – che possono mettere a punto le proprietà degli eccitoni. Tuttavia, cambiamenti moderatamente grandi sono stati raggiunti solo in condizioni di equilibrio e a basse temperature. Finora mancano cambiamenti significativi a temperatura ambiente, che sono importanti per le applicazioni.

La nuova ricerca

Questo è stato appena raggiunto nel laboratorio di Majed Chergui all’EPFL all’interno del Centro di scienze ultraveloci di Losanna, in collaborazione con i gruppi teorici di Angel Rubio (Istituto Max-Planck, Amburgo) e Pascal Ruello (Università di Le Mans). In un articolo pubblicato su Science Advances, il team internazionale mostra, per la prima volta, il controllo delle proprietà eccitoniche mediante onde acustiche.

Per fare questo, i ricercatori hanno lanciato un’onda acustica ad alta frequenza (centinaia di gigahertz) di grande ampiezza in un materiale usando impulsi laser ultracorti. Questa strategia consente inoltre la manipolazione dinamica delle proprietà dell’eccitone ad alta velocità.

Questo straordinario risultato è stato raggiunto sul biossido di titanio a temperatura ambiente, un semiconduttore economico e abbondante che viene utilizzato in un’ampia varietà di tecnologie di conversione dell’energia luminosa come il fotovoltaico, la fotocatalisi e i substrati conduttivi trasparenti.

I nostri risultati e la descrizione completa offrono prospettive molto interessanti per varie applicazioni come dispositivi acustici ottici economici o impiego nella tecnologia dei sensori per sollecitazioni meccaniche esterne“, afferma Majed Chergui. “L’uso di onde acustiche ad alta frequenza, come quelle generate da impulsi laser ultracorti, come schemi di controllo degli eccitoni aprono una nuova era per l’acustico-eccitonica e l’eccitonica attiva, analoga alla plasmonica attiva, che sfrutta le eccitazioni plasmoniche dei metalli“.

Questi risultati sono solo l’inizio di ciò che può essere esplorato lanciando onde acustiche ad alta frequenza nei materiali“, aggiunge Edoardo Baldini, autore principale dell’articolo attualmente al MIT. “Ci aspettiamo di usarli in futuro per controllare le interazioni fondamentali che governano il magnetismo o innescare nuove transizioni di fase in solidi complessi“.

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