L’inserimento controllato, tramite una specifica procedura di sintesi, di pochi atomi di rame (4-5 atomi) in nanoparticelle di semiconduttore del diametro di circa 3 miliardesimi di metro conferisce loro proprietà di memoria magnetica. La scoperta, recentemente pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology, è stata fatta da un gruppo misto di ricercatori del Los Alamos National Laboratory (LANL) e dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca presso il suo Dipartimento di Scienza dei Materiali che gestisce sia la ricerca scientifica su materiali avanzati che i corrispondenti corsi di Laurea triennali e specialistici. Questo lavoro fa parte di una linea di ricerca molto ampia incentrata sullo sviluppo di nuovi materiali nanotecnologici avanzati per applicazioni in elettronica e fotonica, che è la missione principale del gruppo di ricerca guidato da Victor Klimov al LANL.
Ne parliamo con Sergio Brovelli, trentaquattrenne ricercatore di fisica sperimentale del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, dove è rientrato dopo aver lavorato per alcuni anni nel gruppo di Klimov.
Di cosa si occupa il vostro gruppo di ricerca?
Nell’ambito della linea di ricerca ci occupiamo in particolare di individuare nuove strategie per conferire proprietà inedite a nanocristalli semiconduttori prodotti per via sintetica. Questi materiali, tipicamente composti da poche migliaia di atomi e di dimensioni di pochi miliardesimi di metro, sono estremamente interessanti sia per nuovi dispositivi fotovoltaici che per LED ad elevata efficienza. In questo frangente, una delle sfide scientifiche più attuali è riuscire ad applicare la tecnica più comune per il controllo delle proprietà elettriche e ottiche di semiconduttori tradizionali, ovvero l’inserimento controllato di pochi atomi ospite all’interno dei nanocristalli.
Sebbene questa tecnica, nota come drogaggio, sia uno strumento routinario per la realizzazione industriale di dispositivi a semiconduttore tradizionali (per esempio transistor, diodi o LED), essa presenta gravi difficoltà quanto applicata a materiali nanometrici e richiede quindi un forte impegno in termini di ricerca di base per la sua comprensione. Nello specifico noi ci siamo occupati del drogaggio con atomi di rame che sono stati utilizzati ampiamente in passato per ottenere emettitori di luce o per migliorare la conducibilità elettrica di materiali semiconduttori massivi.
Che cosa avete scoperto?
Che cosa avete scoperto?
Studiando nanocristalli di seleniuro di zinco drogati con rame abbiamo scoperto che questi ultimi non solo conferiscono proprietà di emissione di luce similmente a quanto osservato in studi su semiconduttori massivi, ma che essi sono anche in grado di attivare una forte risposta magnetica. Il nostro studio, in collaborazione con Scott Crooker all’High Magnetic Field National Laboratory che ha coordinato gli esperimenti di magneto-ottica, ha quindi dimostrato per la prima volta che i nanocristalli drogati rame rientrano nella famiglia dei semiconduttori magnetici diluiti che tipicamente prevedono l’uso del manganese. L’aspetto tuttavia più sorprendente della nostra scoperta è che la risposta magnetica di questi sistemi più essere incrementata di oltre il 100% tramite illuminazione con luce ultravioletta o visibile. Questo effetto di foto-magnetizzazione persiste nel tempo per svariate ore al buio e può successivamente essere “letto”e perfino “cancellato” utilizzando luce meno intensa. In altre parole, questi nanocristalli portano “memoria magnetica” del processo di illuminazione e possono quindi in principio costituire i componenti di nuove memorie magnetiche fotoscrivibili.
Quali sono le possibili conseguenze applicative?
La fotomagnetizzazione ottenibile con questi sistemi è importante perché implica un possibile cambio di paradigma nell’immagazzinamento e lettura dati. Seppur di carattere puramente fondamentale i nostri risultati dimostrano che in principio questi sistemi possono essere utilizzati per memorie magnetiche che usano la luce invece che i consueti metodi di scrittura elettrici e magnetici. Di conseguenza, questi risultati potrebbero fornire un ulteriore strumento per la realizzazione di computer ottici.
Quali passi restano da compiere per poter passare alle applicazioni pratiche?
Come detto in precedenza, questo studio è di carattere puramente fondamentale e rappresenta un primo passo verso un traguardo che, seppur sempre più vicino, richiede ancora forti sforzi per il suo raggiungimento. I nostri risultati dimostrano l’esistenza di una nuova proprietà fisica che potrà essere utile per future tecnologie magneto-ottiche ma la realizzazione di dispositivi basati su questi materiali richiede importanti fasi di ottimizzazione e ingegnerizzazione.
(Mario Gargantini)
