Luce sugli elettroni intrappolati nelle nanostrutture

Luce ed elettroni

Nano trappole per catturare elettroni e cambiarne le proprietà. La scoperta realizzata da due team di fisici italiani di Pisa (NEST della Scuola Normale Superiore, Infm-Cnr) e Modena (Centro S3 di Modena, Università di Modena e Reggio Emilia).

Due team di fisici italiani di Pisa e Modena sono riusciti a isolare pochissimi elettroni all’interno di una nanostruttura di un materiale semiconduttore e a cambiarne le proprietà in modo controllato illuminandoli con un fascio di luce laser. Una tecnica per manipolare elettroni attraverso un raggio di luce che potrebbe aprire la strada a nuove applicazioni della meccanica quantistica nella tecnologia dell’informazione.

Il risultato sarà pubblicato sul numero del 31 dicembre 2005 della prestigiosa rivista Physical Review Letters che dedica la copertina alle immagini delle “nano-trappole” in cui sono confinati gli elettroni (vedi foto). La scoperta giunge al termine di una ricerca durata tre anni condotta dai ricercatori dei laboratori CNR-INFM, NEST della Scuola Normale Superiore di Pisa e Centro S3 di Modena, e dell’Università di Modena e Reggio Emilia in collaborazione con Columbia University e laboratori Bell (USA).

I ricercatori sono riusciti per la prima volta a colpire con un fascio di luce laser una manciata di elettroni e a modificare in modo controllato una delle loro proprietà intrinseche più rilevanti, lo spin . Per ottenere questo risultato, i ricercatori del NEST della Scuola Normale hanno intrappolato pochi elettroni in minuscole strutture di materiale semiconduttore, e li hanno irraggiati con un fascio di luce laser. Grazie a calcoli teorici e alla risoluzione di equazioni quantistiche, i fisici del Centro S3 di Modena hanno potuto chiarire i fenomeni fisici che si verificano durante l’irraggiamento, e hanno confermato che la debole luce restituita dagli elettroni corrisponde alla variazione dello spin di esattamente quattro elettroni.

Le “nano-trappole” per elettroni sono state ottenute da un cristallo purissimo di Arseniuro di Gallio, un materiale semiconduttore correntemente utilizzato nell’industria elettronica. Il cristallo è stato lavorato presso il centro NEST con complessi procedimenti di nano-fabbricazione fino ad ottenere una griglia regolare di minuscole strutture, dette punti quantici . Ogni punto quantico è largo solo pochi nanometri (un nanometro è pari a un miliardesimo di metro) e contiene appena qualche elettrone: in effetti, i ricercatori del Centro S3 di Modena tramite simulazioni al calcolatore sono stati in grado di “contare” gli elettroni in ciascun punto quantico e stabilire che il loro numero è pari a quattro.

La possibilità di manipolare lo spin di pochi elettroni attraverso la luce potrebbe aprire la strada a nuove tecniche di memorizzazione nella tecnologia dell’informazione. Come previsto dalle leggi della meccanica quantistica lo spin di un elettrone può assumere solo due valori, e questo lo rende simile ai bit degli usuali calcolatori che possono valere solo 0 e 1. Perciò potrebbe essere utilizzato per costruire elementi di memoria con dimensioni nanometriche, molto inferiori a quelle attuali. Inoltre lo spin degli elettroni è poco influenzabile dal mondo esterno, e, in linea di principio, potrebbe mantenere il proprio valore per un tempo molto lungo. Ma proprio a causa della sua ‘imperturbabilità’, cambiare in modo controllato lo stato di spin degli elettroni rappresenta un sfida per la nanoscienza. I risultati di questa ricerca indicano un nuovo metodo, basato su lavorazione di materiali semiconduttori e impiego della luce, per controllare gli elettroni e il loro spin su scala nanometrica.

Modena, 28 dicembre 2005

Evidence of Correlation in Spin Excitations of Few-Electron Quantum Dots

César Pascual García, Vittorio Pellegrini, Aron Pinczuk, Massimo Rontani, Guido Goldoni, Elisa Molinari, Brian S. Dennis, Loren N. Pfeiffer, and Ken W. West

Physical Review Letters 95 , 266806 (31 dicembre 2005).

Didascalia Immagini

1. La copertina dell’ultimo numero della rivista Physical Review Letters, dedicata alle immagini delle “nano-trappole” per elettroni su cristallo di Arseniuro di Gallio, realizzate dai ricercatori italiani.

2. “Nano-trappole” per elettroni su cristallo di Arseniuro di Gallio, realizzate dai ricercatori italiani. I tre diversi ingrandimenti delle nano-trappole sono ottenuti con un microscopio elettronico a scansione.

Per ulteriori informazioni:

Vittorio Pellegrini – NEST CNR-INFM and Scuola Normale Superiore, Pisa.

Tel: +39-050-509414, e-mail: vp@sns.it

Massimo Rontani – S3 CNR-INFM, Modena.

Tel: +39-059-2055205, e-mail: rontani@unimore.it

Ufficio stampa:

Maddalena Scandola – S3 CNR-INFM, Modena.

Phone: +39-059-2055329, cell. 347 0778836 , e-mail : scandola@unimore.it