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Materiali 3D per applicazioni elettroniche

I ricercatori finanziati dall'UE hanno aperto la strada verso il controllo in termini di femtosecondi, in relazione alle proprietà dei materiali con potenziali implicazioni pratiche in elettronica.
Materiali 3D per applicazioni elettroniche
I ricercatori del progetto OPTCHATRA (Optical charge transfer processes in early stages of photosynthesis from first-principle computational techniques) hanno dimostrato il modo in cui gli impulsi laser a femtosecondi possono essere utilizzati per passare dallo stato di semimetallo di Dirac allo stato di isolante topologico, e viceversa.

I semimetalli di recente hanno attirato molto interesse. Oltre all'importanza fondamentale di questi materiali come realizzazione di materia condensata di fermioni elementari, questi materiali vantano anche proprietà insolite come un'elevata magnetoresistenza negativa.

Gli stati topologici dei materiali in questione sono controllati dalle simmetrie. Tradizionalmente, le simmetrie possono essere influenzate solo su scala cronologica lenta, attraverso deformazione, drogaggio, campi magnetici o elettrici. Su scale cronologiche ultraveloci, la cosiddetta ingegneria di Floquet permette di rompere in modo dinamico tali simmetrie.

Utilizzando la teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (Time-dependent density functional theory, TDDFT), i ricercatori hanno dimostrato che un semimetallo diviene tale mediante la rottura di simmetria dell'inversione temporale. Questa rottura di simmetria può essere raggiunta mediante l'applicazione di impulsi laser circolarmente polarizzati, caratterizzati da diverse intensità.

Il progetto TDDFT ha affrontato aspetti quali proprietà elettroniche e schermatura dinamica dei materiali. Infatti, l'approccio adottato con il progetto OPTCHATRA ha rilevato effetti che altri modelli teorici non sono stati in grado di rilevare. Per esempio, mediante pompaggio linearmente polarizzato, le interazioni elettrone-elettrone inducono la rottura della simmetria.

Per illustrare l'idea di semimetalli controllati a livello dinamico, i ricercatori si sono affidati a una descrizione ab initio del semimetallo topologico di Dirac Na3Bi. Sebbene siano incentrati su un prototipico semimetallo Na3Bi, i risultati valgono per qualsiasi semimetallo di Dirac, come spiegato in un articolo nella rivista Nature Communications.

Questa classe di materiali rappresenta un insolito stato della materia quantistica, osservabile come grafene 3D. Si prevede che tali materiali vantino intriganti proprietà elettroniche e possano fungere da piattaforma per lo studio sistematico delle transizioni di fase quantistiche. Il progetto OPTCHATRA ha prodotto un importante avanzamento di questo tema emergente nella scienza dei materiali.

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Keywords

OPTCHATRA, impulsi laser a femtosecondi, semimetallo di Dirac, isolante topologico, rottura di simmetria