Atomi che danzano con la luce: La svolta quantistica per fotovoltaico e LED

Sembra fantascienza, eppure è la nuova frontiera della fisica dei materiali che potrebbe avere ricadute molto concrete sulle nostre bollette e sull’efficienza energetica. Un gruppo di scienziati della Rice University ha trovato un modo per far letteralmente “danzare” gli atomi con la luce, creando stati ibridi della materia completamente nuovi. Una scoperta che promette di rivoluzionare il modo in cui l’energia fluisce in dispositivi di uso comune come le celle solari e i LED.

Ma andiamo con ordine. Il trucco sta nell’unire le vibrazioni degli atomi in certi cristalli, chiamate fononi, con le onde luminose. Quando questa unione diventa abbastanza forte, materia e luce si fondono in qualcosa di nuovo, un ibrido quantistico chiamato fonone-polaritone. Il risultato di questa ricerca è stato pubblicato su Nature Communications.

Fonone

Come funziona questa “Danza” quantistica?

Per innescare questo fenomeno, i ricercatori non hanno usato laser potentissimi o condizioni estreme, il che rende l’approccio particolarmente interessante per applicazioni pratiche. Hanno invece utilizzato una tecnica tanto ingegnosa quanto precisa: hanno inciso delle minuscole fessure, circa mille volte più sottili di un foglio di pellicola trasparente, in un sottile strato d’oro.

Queste fessure nanometriche agiscono come delle vere e proprie “trappole” per la luce, concentrandola e sintonizzandola esattamente sulla frequenza di vibrazione degli atomi del materiale studiato: un film sottile di perovskite di piombo-alogenuri. Quando la luce e la vibrazione atomica sono perfettamente accordate, la loro interazione diventa così intensa da entrare in un regime definito “accoppiamento ultra-forte” (ultrastrong coupling).

Come ha spiegato Dasom Kim, primo autore dello studio, “questa è la prima dimostrazione a temperatura ambiente in un film sottile di perovskite in cui due fononi entrano in regime di accoppiamento ultra-forte con una singola risonanza terahertz ingegnerizzata”. Un modo tecnico per dire che ci sono riusciti in condizioni “normali” e compatibili con la produzione di dispositivi.

a Ibridazione tra una modalità nanoslot-cavità, con frequenza ωc, e due modalità fononiche ottiche trasversali nei materiali perovskiti, con frequenze ω1 e ω2, nel regime di frequenza cavità bassa e detunata, ωc ≪ ωλ (λ = 1, 2). Le intensità di accoppiamento di queste modalità fononiche sono indicate rispettivamente con g1 e g2. Le correlazioni anomale tra i fononi sono mediate dalla modalità cavità e governate dai rapporti di accoppiamento gλ/ωλ. b Illustrazione del sistema ibrido perovskite-nanoslot illuminato da luce terahertz. Sono stati realizzati sette nanoslot di diverse lunghezze (l = 30-160 μm) per sintonizzare la frequenza di risonanza della cavità. L’inserto mostra un’immagine al microscopio elettronico a scansione che mostra una nanoslot nuda (vista dall’alto); barra di scala: 20 μm. c, Simulazione numerica (COMSOL) che mostra un aumento della componente x del campo elettrico (Ex) alla risonanza (0,77 THz) in una nanoslot riempita con perovskite MAPbI3. Sinistra: vista dall’alto (piano z = 0); destra: sezione trasversale (piano y = 0). Le linee tratteggiate bianche delineano l’area riempita con MAPbI3. Le linee continue bianche delineano l’area della nanoslot. Da Nature Communications

Guidare il flusso di energia: le implicazioni pratiche

Il vero cuore della scoperta non è tanto l’eleganza teorica, quanto il suo potenziale pratico. Controllare questa interazione tra luce e materia significa poter “guidare” il trasporto di energia a livello microscopico. Questo apre la strada a una serie di miglioramenti tecnologici significativi:

• Maggiore Efficienza: Le celle solari potrebbero catturare la luce e convertirla in elettricità con meno perdite.
• Migliori Prestazioni: I LED potrebbero emettere luce sprecando meno energia sotto forma di calore.
• Nuovi Dispositivi: Si potrebbero progettare materiali optoelettronici con proprietà su misura, ottimizzati per compiti specifici.

Junichiro Kono, direttore dello Smalley-Curl Institute presso la Rice University, ha sottolineato l’aspetto più rilevante: “Questo offre un modo delicato e compatibile con i dispositivi per influenzare i processi importanti per la raccolta e l’emissione di luce, migliorando potenzialmente le prestazioni e riducendo le perdite di energia”. In poche parole, più efficienza a minor costo, il sacro graal di ogni sviluppo tecnologico.

La validità dell’esperimento è stata confermata da simulazioni numeriche e da un modello quantistico teorico. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, non è solo un passo avanti nella comprensione fondamentale della fisica quantistica, ma getta le basi per un’ingegneria dei materiali di nuova generazione. Certo, dalla provetta di laboratorio al pannello solare sul tetto il passo non è breve, ma la direzione è tracciata.

Domande e Risposte per il Lettore

1) In parole povere, cosa hanno creato esattamente gli scienziati? Gli scienziati hanno creato un nuovo stato ibrido della materia in cui le vibrazioni degli atomi di un cristallo (fononi) e le particelle di luce (fotoni) sono così strettamente legate da comportarsi come un’unica entità. Immagina di accordare una corda di chitarra (la vibrazione) per risuonare perfettamente con una nota suonata da un altro strumento (la luce). La loro interazione diventa così forte che non si distinguono più i due suoni separati, ma se ne percepisce uno nuovo e più potente. Questo stato ibrido permette di manipolare le proprietà energetiche del materiale in modi prima impossibili.

2) Qual è il vantaggio principale di questa scoperta rispetto ad altri metodi? Il vantaggio cruciale è che questo risultato è stato ottenuto a temperatura ambiente e senza l’uso di laser ad alta potenza o condizioni estreme. In passato, per manipolare le proprietà quantistiche dei materiali erano spesso necessarie temperature bassissime o campi energetici intensi, soluzioni costose e difficilmente applicabili su larga scala. Questo nuovo metodo, basato sull’ingegneria di nano-strutture, è molto più “gentile” e compatibile con i processi di fabbricazione dei dispositivi elettronici attuali, rendendo il passaggio dalla ricerca all’applicazione industriale molto più realistico.

3) Perché è stata usata proprio la perovskite? Questo materiale ha altre applicazioni? La perovskite è un materiale che negli ultimi decenni ha guadagnato un’enorme attenzione nel campo dell’energia solare. I cristalli di perovskite sono relativamente economici da produrre e hanno dimostrato un’efficienza eccezionale nel convertire la luce solare in elettricità, rivaleggiando con il tradizionale silicio. Il loro principale punto debole è la stabilità e le perdite energetiche dovute proprio a forti interazioni tra elettroni e vibrazioni atomiche. Questa scoperta è così importante perché offre un modo per controllare e mitigare queste interazioni, aprendo la strada a celle solari in perovskite ancora più efficienti e durature.