Quantum dots, i punti quantici per i rilevatori del futuro

SCOPERTE – Prendete una piastra, cospargetela di sabbia e ponetela sopra ad una sorgente di onde acustiche. La sabbia inizierà a saltellare e a muoversi, fino ad accumularsi lungo le linee nodali della vibrazione disegnando complicate e affascinanti figure geometriche. Questo effetto è conosciuto come piastra di Chladni, dal nome del musicista e scienziato che lo ha scoperto nel XVIII secolo, e che ha permesso di elaborare modelli che ancora oggi vengono utilizzati nella progettazione e costruzione di strumenti acustici, come violini, chitarre e viole.

E se questo effetto dalle vibrazioni sonore si potesse ottenere dalle onde luminose? Questa la domanda a cui hanno risposto i ricercatori del Naval Research Lab di Washington guidati da Sam Carter e che hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Applied Physics Letters. I ricercatori hanno scoperto che esiste un effetto simile a quello descritto da Chladni, che è considerato il “padre dell’acustica”, se una sottile e rigida membrana viene illuminata da un laser: la membrana infatti vibrerà in risonanza con la luce, proprio come l’arco dell’esperimento acustico che disegna i nodi vibrazionali con la sabbia. Per visualizzare queste vibrazioni si usano i quantum dots, letteralmente punti quantici, cioè minuscole strutture che emettono luce alla frequenza che corrisponde a quella del movimento.

Lo studio ha preso in esame una membrana di semiconduttore spessa appena 180 nanometri e che rimane sospesa su un trampolino di substrato solido. Questa minuscola membrana comprende all’interno uno schieramento di quantum dots, che svolgono dunque lo stesso ruolo della sabbia nella versione acustica dell’esperimento, e che hanno uno spessore davvero piccolissimo: inferiore di un decimo dell’1% di un capello umano.

La membrana è stata poi sondata con un laser di prova al fine di visualizzare le risonanze risultanti. I punti quantici infatti assorbono la luce ed emettono un secondo impulso luminoso come risposta alla sollecitazione. L’impulso viene quindi rilevato e inoltrato a un display, dove vengono riprodotte strutture geometriche significativamente simili a quelle disegnate dalle piastre di Chladni, anche se il nuovo dispositivo ottenuto dai quantum dots non si basa su fenomeni acustici, ma su fenomeni prettamente luminosi.

Per esempio, si potrebbero costruire nuovi accelerometri basati proprio sulla possibilità di rilevare e controllare le emissioni caratteristiche dei punti quantici, cioè partendo dal rilevamento della frequenza luminosa emessa dai punti quantici e correlata alla vibrazione della membrana sottostante. L’effetto potrebbe essere utilizzato anche all’inverso, cioè partendo dal movimento della membrana sottostante per controllare la frequenza della luce emessa dai punti quantici.

La scoperta di questa incredibile similitudine tra due effetti guidati da due fenomeni completamente diversi per Carter, autore dello studio, è molto importante e comporta una gran varietà di applicazioni tecnologiche, a partire dal rilevamento delle forze tenui prodotte dalla vicinanza di oggetti densi, come per esempio schermi per la materia: “I materiali nucleari nascosti possono così essere rivelati, poiché i materiali densi come il piombo sono utilizzati per schermare i dispositivi”.

La schermatura di materiali molto densi infatti può causare delle piccole anomalie gravitazionali che generano minuscoli movimenti che potrebbero, in futuro, essere facilmente rivelabili con nuovi dispositivi costruiti seguendo il principio scoperto e descritto nello studio. Il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di inserire lo studio dello spin elettronico nei dispositivi, in modo da aumentarne la sensibilità e dare vita ad una nuova classe di sensori e rivelatori basati su una tecnologia decisamente innovativa.

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