Importante scoperta sul processo di iniezione di carica ultraveloce nei semiconduttori

Uno studio pubblicato sulla rivista “Nature Photonics” dimostra la possibilità di controllare le proprietà della luce per ottimizzare l’iniezione di carica di un materiale semiconduttore riducendo contemporaneamente la quantità di energia immessa, un risultato fondamentale per lo sviluppo futuro di dispositivi opto-elettronici. 

È questa l’importante scoperta di un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, in collaborazione con tre Istituti di ricerca del Consiglio nazionale delle ricerche – Istituto di fotonica e nanotecnologie, Istituto per la microelettronica e microsistemi e Istituto nanoscienze insieme a un gruppo di ricerca dell’Università degli studi di Salerno. 

Lo studio intitolato “Field-driven attosecond charge dynamics in germanium” rappresenta un risultato senza precedenti verso la realizzazione di interruttori elettro-ottici ultraveloci tali da aumentare la velocità limite con cui si processano i dati e si codifica l’informazione. 

I ricercatori hanno osservato il fenomeno dell’iniezione ultraveloce di portatori di carica in un materiale semiconduttore quale il germanio monocristallino, con tecniche spettroscopiche alla scala temporale dell’attosecondo e hanno scoperto un nuovo regime di interazione radiazione-materia dove le cariche vengono eccitate da meccanismi diversi. Questi meccanismi competono tra loro ed evolvono su scale temporali differenti, dell’ordine dei pochi milionesimi di miliardesimo di secondo. 

“Sono risultati significativi perché la conoscenza dei processi di eccitazione indotti dalla luce nei semiconduttori permette di progettare dispositivi optoelettronici di nuova concezione che ottimizzano il rapporto tra velocità di iniezione di carica e potenza dissipata”, spiega Matteo Lucchini del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e autore di riferimento dello studio. 

I ricercatori sono riusciti a districare il complesso regime di iniezione di carica su queste scale temporali estreme grazie agli esperimenti condotti presso l’Attosecond Research Center nell’ambito del progetto ERC AuDACE e il progetto PRIN aSTAR.  

“A Cnr-Nano abbiamo messo a punto una sofisticata simulazione che, partendo da principi primi, è in grado di descrivere, con un’altissima risoluzione spaziale e temporale, come si muovono le cariche eccitate dalla luce all’interno del materiale e di prevedere quali sono i meccanismi di iniezione più efficienti nei vari regimi di illuminazione”, aggiunge Carlo Andrea Rozzi, coautore dello studio. 

Attraverso simulazioni basate su avanzati modelli teorici, hanno dimostrato la complessa interazione tra diversi meccanismi nella risposta elettronica quanto-meccanica, mai osservata prima, con importanti implicazioni in svariati campi quali l’ottica, la fotonica e la tecnologia dell’informazione.