Il professor Javier Sanchez-Yamagishi, assistente di fisica e astronomia presso l’UC Irvine e coautore dello studio, ha spiegato che il bismuto è stato oggetto di studio per oltre un secolo. Tuttavia, solo recentemente il suo team è riuscito a manipolare questo materiale per rivelare comportamenti elettronici precedentemente nascosti, specialmente nelle superfici metalliche dei cristalli.
La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Materials, descrive come i cristalli di bismuto prodotti siano spessi solo alcuni nanometri. Questi strati sottili mostrano stati elettronici speciali che permettono al materiale di diventare magnetico quando è attraversato da corrente elettrica, una caratteristica fondamentale per i dispositivi elettronici quantistici che sfruttano lo spin magnetico degli elettroni.
Uno dei comportamenti inaspettati osservati è quello delle cosiddette oscillazioni quantistiche, che emergono dal movimento degli elettroni in un campo magnetico. Laisi Chen, dottorando in fisica e astronomia e uno dei principali autori dello studio, ha evidenziato che queste oscillazioni, scoperte per la prima volta nel bismuto negli anni ’30, non erano mai state osservate in cristalli di bismuto di spessore nanometrico.
Per quanto riguarda le tecniche di produzione, Amy Wu, un’altra dottoranda nel laboratorio di Sanchez-Yamagishi, ha paragonato il nuovo metodo a una pressa per tortillas. Per ottenere fogli di bismuto ultra-sottili, il materiale viene compresso tra due piastre riscaldate. Queste piastre devono essere lisce a livello atomico per evitare imperfezioni microscopiche che potrebbero influenzare le proprietà del materiale. Wu ha descritto il processo come la preparazione di una “quesadilla” o “panini”, dove il bismuto agisce come il ripieno.
Sanchez-Yamagishi ha condiviso un momento di tensione quando, dopo oltre un anno di sperimentazioni per produrre questi cristalli sottili, non era certo delle proprietà elettriche che avrebbero manifestato. Tuttavia, una volta raffreddato il dispositivo nel loro laboratorio, il team è rimasto stupito nel constatare le oscillazioni quantistiche, un fenomeno mai osservato prima nei film sottili di bismuto.
Il professore ha anche sottolineato che, sebbene la compressione sia una tecnica di produzione comune per materiali di uso quotidiano come il foglio di alluminio, non è frequentemente impiegata nella fabbricazione di materiali elettronici. Tuttavia, il team ritiene che il loro metodo possa essere generalizzato ad altri materiali con bassi punti di fusione, come lo stagno, il selenio, il tellurio e le relative leghe, aprendo nuove possibilità per i circuiti elettronici flessibili del futuro.
Infine, il gruppo di ricerca è entusiasta di esplorare ulteriori applicazioni dei metodi di compressione e stampaggio a iniezione per la produzione dei prossimi chip per dispositivi mobili come telefoni e tablet. Chen ha aggiunto che i nuovi membri del team stanno portando idee innovative al progetto, lavorando su tecniche avanzate per controllare meglio forma e spessore dei cristalli di bismuto cresciuti, semplificando così la fabbricazione di dispositivi e avvicinandosi alla produzione di massa.