La tavola periodica suddivide gli elementi in metalli, semimetalli e non metalli. La distinzione tiene conto delle proprietà chimico-fisiche ed è determinata, in particolare, dal movimento degli elettroni e dalla capacità di condurre energia elettrica: i metalli sono ottimi conduttori, i semimetalli hanno una conduzione limitata, i non metalli sono materiali isolanti, non conducono. Questi stati non sono però immutabili. Sappiamo che è possibile trasformare un materiale isolante in un metallo: con la chimica, introducendo nel materiale atomi con un diverso numero di elettroni; oppure esercitando pressioni elevatissime, una condizione riproducibile solo in laboratori dedicati e di difficile trasferibilità in applicazioni tecnologiche.
Il Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, il Dipartimento di Fisica della University of California Berkeley e la Divisione Scienze dei materiali del Lawrence Berkeley National Laboratory dell’Università della California hanno da poco pubblicato sulla rivista Science Advances i risultati di uno studio che propone una terza via per la trasformazione di un materiale isolante in semimetallo.
“Abbiamo osservato che, illuminando un materiale isolante con un laser a impulsi ultrarapidi (nell’ordine dei 10 femtosecondi, ovvero 10 milionesimi di miliardesimo di secondo), è possibile condizionare il movimento degli elettroni,” racconta Alessandra Lanzara, docente di Fisica alla UC Berkeley e corresponding author dello studio insieme al dottorando Maxi Huber, leading author del paper.
Per raggiungere questo risultato, occorrono laser molto speciali e il materiale giusto: “Abbiamo usato il diseleniuro di titanio (1T-TiSe2), un materiale che ho avuto modo di studiare molto durante la mia carriera,” Matteo Calandra, docente di Fisica della materia all’Università di Trento e firmatario dello studio per l’ateneo trentino insieme al ricercatore Giovanni Marini. “Il diseleniuro di titanio ha caratteristiche molto speciali: è un materiale isolante, però somiglia a un metallo. Ad esempio, è lucido, mentre di solito i non conduttori sono opachi e non riflettono la luce“.
I calcoli e i risultati sperimentali dei due team di ricerca hanno mostrato che, illuminando questo materiale con un laser ultrarapido, è possibile modificare gli stati energetici e il movimento degli elettroni (la cosiddetta danza degli elettroni) trasformandolo in semimetallo per un breve lasso di tempo (di poco inferiore a 500 femtosecondi).
La differenza rispetto alla trasformazione chimica è che quella ottenuta con il laser non è permanente: appena si interrompe l’illuminazione, il materiale ritorna allo stato originario. Questo moltiplica le possibili applicazioni: “Ad esempio – spiega Calandra – si possono immaginare dispositivi che cambiano il carattere da isolante a semimetallo in tempi rapidissimi, una caratteristica necessaria per sviluppare computer molto più potenti degli attuali, in grado di elaborare calcoli complicatissimi in pochissimo tempo. Oggi, la capacità di calcolo si basa sull’utilizzo di campi elettrici, ma la possibilità di usare la luce spalanca orizzonti nuovi in questo ambito di applicazione“.
UniTrento ha curato la parte teorica e di simulazione dell’articolo. l’Università di Berkley ha seguito invece la parte sperimentale della ricerca.
