Gli elettroni fotoeccitati del fullerene aiutano a creare un interruttore ad alta velocità

Le emissioni di elettroni indotte dalla luce dal fullerene, una molecola a base di carbonio, possono essere utilizzate per effettuare un passaggio ultraveloce. Il nuovo dispositivo, sviluppato da un team guidato dall’Università di Tokyo, in Giappone, ha una velocità di commutazione da quattro a cinque ordini di grandezza più veloce di quella degli attuali transistor a stato solido utilizzati nei computer moderni. Il percorso degli elettroni prodotti dai siti di emissione nella molecola può essere controllato su scala sub-nanometrica utilizzando impulsi di luce laser.

«Prima di questo lavoro, tale controllo ottico dei siti di emissione di elettroni era possibile su una scala di 10 nm, ma era difficile miniaturizzare queste fonti di elettroni con selettività del sito di emissione», spiega Hirofumi Yanagisawa dell’Università di Tokyo Istituto per la fisica dello stato solido.

I ricercatori hanno effettuato il passaggio a singola molecola depositando molecole di fullerene sulla punta di un ago metallico affilato e applicando un forte campo elettrico costante all’apice della punta. Hanno osservato protuberanze di singole molecole che apparivano sull'apice e hanno scoperto che i campi elettrici diventano ancora più forti su queste protuberanze, consentendo agli elettroni di essere emessi selettivamente da queste singole molecole. Gli elettroni emessi provengono dalla punta metallica e attraversano le molecole solo sulle sporgenze.

 La funzione di commutazione è come un binario ferroviario

“I siti di emissione di elettroni di una sorgente di elettroni a molecola singola sono determinati dal modo in cui gli elettroni sono distribuiti nella molecola, o orbitali molecolari (MO)”, spiega Yanagisawa. “La distribuzione degli MO cambia in gran parte con i livelli molecolari e se gli elettroni forniti dalla punta metallica sono eccitati dalla luce, quegli elettroni passano attraverso MO diversi rispetto a quelli che non sono eccitati. Il risultato è che i siti di emissione possono essere modificati utilizzando la luce”.

Questa funzione di commutazione, dice, è concettualmente identica a quella di un treno che viene reindirizzato su un binario ferroviario: gli elettroni emessi possono rimanere sulla loro rotta predefinita o essere reindirizzati.

Il fatto che gli elettroni fotoeccitati possano passare attraverso MO diversi rispetto a quelli non eccitati implica che dovremmo essere in grado di modificare ulteriormente questi orbitali e quindi integrare più interruttori ultraveloci in una singola molecola, aggiunge Yanagisawa. Tali strutture potrebbero poi essere utilizzate per creare un computer ultraveloce.

La fisica quantistica stabilisce un limite di velocità per l'interruttore optoelettronico più veloce possibile

Un'altra possibile applicazione è migliorare la risoluzione spaziale della microscopia a emissione fotoelettronica. Prima di questo studio, spiega Yanagisawa, questa tecnica era inferiore a 10 nm, ma ora potrebbe raggiungere 0.3 nm (che è abbastanza piccolo da risolvere MO di singole molecole). "Possiamo quindi utilizzare il nostro 'microscopio a emissione di campo indotto dal laser' (LFEM), come lo abbiamo chiamato, per seguire la dinamica ultraveloce nelle singole molecole", spiega Mondo della fisica. “Tali molecole potrebbero includere biomolecole come quelle associate alla fotosintesi, che si ritiene coinvolgano processi elettronici su scala temporale dei femtosecondi”.

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori di Tokyo sperano di migliorare ulteriormente la risoluzione spaziale della loro tecnica LFEM in modo da poter risolvere la struttura atomica di una singola molecola. Stanno eseguendo questo lavoro come parte del Progetto PRESTO.

I ricercatori riportano il loro lavoro in Physical Review Letters.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/photoexcited-electrons-from-fullerene-help-create-high-speed-switch/