Importante scoperta sull’iniezione di carica ultraveloce nei semiconduttori

La ricerca pubblicata su Nature Photonics

La possibilità di osservare e controllare dinamiche elettroniche ultraveloci in solidi con impulsi di luce è un risultato ricercato da tempo, con importanti implicazioni in molti campi della tecnologia e della ricerca. In un semiconduttore, per esempio, l’iniezione di carica per mezzo di un impulso infrarosso della durata di pochi femtosecondi può portare il materiale in uno stato conduttivo, realizzando interruttori elettro-ottici ultraveloci, una pietra miliare che permetterà di aumentare la velocità limite con cui si processano i dati e si codifica l’informazione. Questa svolta tecnologica può derivare solo da una completa conoscenza del processo di iniezione di carica indotta dalla luce, una sfida chiave della moderna fisica dello stato solido e della fotonica.

Uno studio pubblicato su Nature Photonics affronta questo problema osservando l'iniezione di portatori in un prototipo di semiconduttore quale il germanio monocristallino, con spettroscopia di riflessione transiente ad attosecondi: i ricercatori del Politecnico di Milano, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR), l’Istituto per la microelettronica e microsistemi (CNR-IMM), l’Istituto Nanoscienze (CNR-NANO) e un gruppo dell’Università degli Studi di Salerno, 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.

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 (Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials) e il progetto PRIN aSTAR. 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.

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.

ha spiegato Matteo Lucchini, professore del Dipartimento di Fisica e ultimo autore dello studio.

Per maggiori informazioni
Lo studio online "Field-driven attosecond charge dynamics in germanium"
H.P.C. & Quantum @polimi