Chiroptical Valleytronic in SnSe

All'interno dei materiali solidi che compongono il nostro mondo, gli elettroni non stanno semplicemente fermi o si muovono in linea retta. Esistono come onde che increspano il reticolo cristallino, portando con sé una forma geometrica nascosta che detta il modo in cui interagiscono con la luce. Questa forma, una proprietà della natura ondulatoria dell'elettrone, può essere pensata come una sottile torsione o uno spin nel modo in cui l'elettrone si muove attraverso il materiale. Quando gli scienziati illuminano questi materiali, questa geometria nascosta determina quali elettroni vengono eccitati e dove vanno. Per anni, i ricercatori si sono concentrati su una specifica classe di cristalli piatti, a forma di nido d'ape, in cui questo effetto è molto forte, permettendo di smistare gli elettroni in diversi gruppi in base alla direzione dello spin della luce. Tuttavia, rimaneva una grande domanda: questa capacità di smistare gli elettroni in base allo spin della luce funziona in materiali che non somigliano affatto a un nido d'ape, specificamente in quelli con una struttura increspata e irregolare?

Un team di ricercatori ha ora risposto a questa domanda osservando un materiale chiamato seleniuro di stagno. Questa sostanza è composta da strati di atomi di stagno e selenio disposti in un modello increspato e rugoso, molto diverso dagli esagoni piatti dei materiali precedentemente studiati. Gli scienziati volevano vedere se potevano usare la luce polarizzata circolarmente — luce che ruota mentre viaggia, come un tappo di una bottiglia — per spingere selettivamente gli elettroni verso un lato della mappa interna del materiale, lasciando l'altro lato meno affollato. Hanno scoperto che potevano farlo. Spara un impulso preciso di luce rotante a un cristallo di seleniuro di stagno, hanno creato con successo uno squilibrio, ammassando più elettroni eccitati in un luogo specifico dello spazio di quantità del cristallo rispetto al luogo opposto. Questa scoperta dimostra che la capacità di controllare gli elettroni con lo spin della luce non è limitata ai perfetti cristalli esagonali piatti, ma è un fenomeno più generale che può verificarsi in materiali con una simmetria molto più bassa.

Per catturare questo evento fugace, i ricercatori hanno utilizzato un setup sofisticato che agisce come una fotocamera ad alta velocità per gli elettroni. Hanno colpito una fetta fresca di seleniuro di stagno con un impulso di luce infrarossa che ruota in senso orario o antiorario. Questo impulso "sveglia" gli elettroni, spingendoli da uno stato di riposo a uno stato di energia superiore. Un frazione di un millesimo di miliardesimo di secondo dopo, hanno sparato un secondo impulso di luce ultravioletta estrema per colpire questi elettroni eccitati fuori dal materiale in modo da poterli misurare. Analizzando la direzione e l'energia di questi elettroni espulsi, il team è riuscito a ricostruire esattamente dove si trovavano gli elettroni all'interno del cristallo appena prima di essere espulsi. Hanno osservato che quando la luce ruotava in un senso, gli elettroni si raccoglievano in una valle del paesaggio energetico del cristallo, e quando la luce ruotava nel senso opposto, gli elettroni si raccoglievano nella valle speculare dall'altro lato. Questo effetto era piccolo ma chiaro, mostrando una differenza di circa il cinque percento nel numero di elettroni tra i due lati, e si invertiva perfettamente ogni volta che invertivano lo spin della luce.

I ricercatori hanno anche monitorato quanto durasse questo squilibrio. Hanno scoperto che gli elettroni non rimangono smistati per molto tempo; entro circa 600 femtosecondi, ovvero 600 quadrilionesimi di secondo, gli elettroni iniziano a diffondersi e a mescolarsi nuovamente, cancellando lo squilibrio. Questo rapido decadimento avviene perché gli elettroni eccitati urtano gli atomi vibranti del cristallo, trasferendo il loro momento extra al materiale sotto forma di calore. Attraverso dettagliate simulazioni al computer che modellavano il movimento di questi elettroni e le loro interazioni con le vibrazioni del cristallo, il team ha confermato che questo processo di diffusione è ciò che causa la rapida scomparsa dello squilibrio. Le simulazioni hanno anche rivelato che questo smistamento temporaneo degli elettroni crea una breve corrente elettrica direzionale che scorre lungo la lunghezza del cristallo. Questa corrente inverte la direzione a seconda che la luce ruoti in senso orario o antiorario, offrendo un modo per generare elettricità semplicemente cambiando lo spin della luce che colpisce il materiale.

Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro è che spiega perché l'effetto non sia così forte nel seleniuro di stagno come nei materiali esagonali piatti studiati in precedenza. In quei perfetti cristalli esagonali, la simmetria della struttura permette uno smistamento quasi perfetto degli elettroni, dove quasi tutti vanno da un lato. Nel crinkle (increspato) seleniuro di stagno, la simmetria più bassa della disposizione atomica limita quanto perfettamente la luce possa smistare gli elettroni, ponendo un limite all'effetto. I ricercatori hanno utilizzato un modello matematico semplificato per dimostrare che questo limite è una diretta conseguenza della specifica struttura atomica del materiale. Nonostante questa minore efficienza, il fatto stesso che l'effetto esista in un tipo di cristallo così diverso è un grande passo avanti. Suggerisce che gli scienziati possono ora cercare comportamenti simili controllati dalla luce in una gamma molto più ampia di materiali, espandendo le possibilità per le tecnologie future che utilizzano lo spin della luce per controllare il flusso di informazioni ed elettricità.

Lo studio evidenzia anche un dettaglio sottile ma importante su come funzionano questi materiali. Mentre il cristallo massivo di seleniuro di stagno è simmetrico nel complesso, i singoli strati al suo interno non lo sono. La luce interagisce con lo strato superiore in un modo che crea lo squilibrio elettronico, ma lo strato direttamente sottostante crea uno squilibrio opposto che lo annulla dal punto di vista dell'intero cristallo. Ciò significa che l'effetto è nascosto in profondità nel materiale, visibile solo guardando la superficie o utilizzando tecniche sensibili allo strato superiore. I ricercatori sono stati in grado di vedere questo comportamento nascosto perché la luce ad alta energia utilizzata può penetrare solo pochi strati atomici, permettendo di sondare le proprietà specifiche della superficie senza che il segnale venga oscurato dagli strati sottostanti. Questa capacità di vedere le proprietà nascoste dei singoli strati all'interno di un cristallo simmetrico apre nuove porte per la comprensione di come la luce e la materia interagiscono in materiali stratificati complessi.

In definitiva, questa ricerca dimostra che le regole che governano il modo in cui la luce smista gli elettroni sono più flessibili di quanto si pensasse in precedenza. Dimostra che anche in materiali privi della perfetta simmetria di un nido d'ape, lo spin della luce può comunque essere usato per dirigere il flusso di elettroni in percorsi specifici. Questa scoperta fornisce una comprensione più profonda della geometria quantistica che sta alla base di queste interazioni e suggerisce che il campo della valleytronica, che mira a utilizzare questi gruppi di elettroni per l'informatica, può essere applicato a una gamma più ampia di materiali. Il lavoro combina misurazioni sperimentali precise con una rigorosa modellazione al computer per dipingere un quadro completo di come questi elettroni si comportano, dal momento in cui vengono colpiti dalla luce al momento in cui tornano a stabilizzarsi. Confermando che questi effetti esistono in cristalli increspati e a bassa simmetria, i ricercatori hanno ampliato la cassetta degli attrezzi disponibile per progettare nuovi dispositivi elettronici che si basano sulle proprietà fondamentali della luce e della materia.