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Abstract: ABNANOTECH affronta la realizzazione e lo studio degli aspetti applicati e di fondamento di una categoria innovativa di dispositivi su scala atomica per applicazioni nel campo dell’elettronica, della spintronica, della plasmonica e della simulazione quantistica di Hamiltoniane complesse. I dispositivi che abbiamo in mente sono basati sulla manipolazione di elettroni, di atomi freddi e di singole “impurezze” (come singoli atomi, molecole o ioni) in cristalli bidimensionali (2D) naturali o sintetici. Di queste due classi, la prima include grafene, silicene, germanene e altri materiali, con lo spessore di un atomo, come dicalcogenidi 2D di metalli di transizione e gas elettronici 2D all’interfaccia tra ossidi correlati; funzionalità simili sono offerte dagli stati superficiali 2D di isolanti topologici basati su film sottili di calcogenidi. La seconda classe include invece reticoli costruiti artificialmente attraverso la lavorazione, secondo un profilo periodico, della superficie di un semiconduttore ordinario che contiene un gas elettronico 2D (reticoli artificiali a stato solido), oppure attraverso l’interferenza di raggi laser con una disposizione spaziale opportuna (reticoli ottici flessibili). ABNANOTECH è un progetto altamente multidisciplinare, che coinvolge personale del Consiglio Nazionale delle Ricerche dall’alto profilo scientifico internazionale e con un ampio ventaglio di competenze. Il nostro consorzio è composto da esperti di crescita di materiali innovativi, di caratterizzazione di cristalli bulk e di dispositivi strutturati su scala nanometrica attraverso vari strumenti spettroscopici [che includono la spettroscopia di fotoemissione risolta nell’angolo (ARPES), scattering Raman inelastico di luce (ILS), microscopia a scansione di tunneling (STM), microscopia a trasmissione elettronica (TEM), spettroscopia a perdita energetica degli elettroni (EELS), microscopia a forza ultrasonica (UFM) e microscopia a scansione di conduttanza ionica (SICM)] e la manipolazione di elettroni, atomi e molecole in reticoli a stato solido o ottici. Infine, ABNANOTECH fa riferimento ad un gruppo di fisici teorici della materia condensata che possiedono le competenze per eseguire calcoli sia basati su Hamiltoniane modello che ab initio. Gli esponenti teorici del consorzio offriranno sostegno a tutte le attività applicate e sperimentali e, inoltre, forniranno delle predizioni sulla possibilità di osservare fenomeni nuovi (dal punto di vista fondamentale) alla scala nanometrica.

Obiettivi del progetto: ABNANOTECH è focalizzato su tre obiettivi principali, che elenchiamo di seguito.

Obiettivo 1: Grafene ed altri cristalli atomici 2D, gas elettronici (EGs) 2D alle interfacce con ossidi e isolanti topologici su pellicole sottili per dispositivi elettronici, optoelettronici, plasmonici e spintronici.
Materiali con spessore, come la grafite o i dicalcogenidi di metalli di transizione (TMDs), possono essere esfoliati per creare cristalli 2D [1]. L’esempio più studiato è il grafene, un sistema 2D di atomi di carbonio, disposti fittamente in un reticolo esagonale. Altri sistemi 2D [2] che stanno venendo studiati intensamente sono il silicene e il germanene [3,4], 2D TMDs [5] come MoS2, 2DEGs all’interfaccia di ossidi correlati (come LaAlO3/SrTiO3) [6], e stati superficiali 2D di isolanti topologici calcogenidi (ad esempio leghe di Bi/Se e/o Bi/Te) [7,8]. Materiali 2D controllabili da un gate aprono la via ad attività di ricerca sia di interesse fondamentale (connesso ad esempio alla possibilità di studiare le proprietà elettroniche di sistemi con una struttura di banda particolare [9]) sia di rilevanza tecnologica. Nel secondo caso, prevediamo applicazioni potenzialmente rivoluzionarie in diversi campi, inclusi, ad esempio, rilevazione (per esempio rilevatori di radiazione ultraveloci e compatti, eccetera), nanoelettronica (per esempio transistor RF ultrasottili), e optoelettronica (per esempio finestre intelligenti, cellule solari a basso costo, eccetera).
BIBLIOGRAFIA
[1] K.S. Novoselov et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 10451 (2005).
[2] F. Bonaccorso et al., Mater. Today 15, 564 (2012).
[3] S. Cahangirov et al., Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009).
[4] P. Vogt et al., Phys. Rev. Lett. 108, 155501 (2012).
[5] Q.H. Wang et al., Nature Nanotech. 7, 699 (2012).
[6] For a recent review see e.g. H.Y. Hwang et al., Nature Mater. 11, 103 (2012).
[7] M.Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
[8] X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
[9] M.I. Katsnelson, Graphene: Carbon in Two Dimensions (Cambridge University Press, Cambridge, 2012).

Obiettivo 2: Reticoli artificiali a stato solido e ottici per nuove funzionalità e simulazione quantistica di materia complessa.
Nuove metodologie per la realizzazione di reticoli artificiali con controllo delle singole unità costituenti, come atomi, molecole, elettroni, fotoni e ioni offrono la possibilità di comprendere fenomeni complessi di materia condensata e fisica delle alte energie in sistemi modello estremamente semplificati [1,2]. Questi sistemi permettono la simulazione di Hamiltoniane esotiche, offrendo la possibilità di analizzare i comportamenti complessi di sistemi a molti corpi che sono compresi in modo incompleto. Esempi di problemi assai difficili che vogliamo affrontare con i nostri simulatori quantistici includono fisica di Hubbard 2D [3] e di fermioni di Dirac a massa nulla [4,5], fisica dei reticoli di spin e magnetismo quantistico [6,7], fasi quantistiche del tipo “spin Hall” [8,9] e la generazione di cristalli di Wigner e molecole in sistemi a bassa dimensionalità [10].
BIBLIOGRAFIA
[1] I. Buluta and F. Nori, Science 326, 108 (2009).
[2] M. Lewenstein, A. Sanpera, and V. Ahufinger, Ultracold atoms in optical lattices: simulating many-body quantum systems (Oxford University Press, Oxford, 2012).
[3] T. Esslinger, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 1, 129 (2010).
[4] L. Tarruell et al., Nature 483, 302 (2012).
[5] A. Singha et al., Science 332, 1176 (2011).
[6] J. Struck et al., Science 333, 996 (2011).
[7] D. Greif et al., arXiv:1212.2634 (2012).
[8] Y. Zhang and C. Zhang, Phys. Rev. B 84, 085123 (2011).
[9] P. Ghaemi, S. Gopalakrishnan, and T.L Hughes, Phys. Rev. B 86, 201406(R) (2012).
[10] See e.g. J.J. Wang et al., Phys. Rev. B 86, 075110 (2012) and references therein.

Obiettivo 3: Tecnologie a stato solido basate sul controllo di singoli atomi e molecole.
Le rivoluzioni tecnologiche del futuro che permetteranno di superare i limiti predetti dalla legge di Moore richiedono lo sviluppo di mezzi per la creazione, la manipolazione e il controllo di atomi isolati, che sono anche sistemi quantistici per eccellenza. La capacità di includere atomi isolati in dispositivi macroscopici a stato solido, o di manipolare singole molecole su scala nanometrica, diventano tecnologie determinanti per dispositivi a singolo spin nell’area dell’informazione quantistica, dei transistor a singolo atomo, e dell’optoelettronica a singolo drogante [1,2]. Nell’area della fotonica e della plasmonica, eccitazioni di singolo emettitore permettono di realizzare dispositivi ultrasensibili, immagini a bassissimo assorbimento inferiore allo “shot noise”, e nuove architetture quantistiche per ICT [3]. ABNANOTECH si propone lo sviluppo di transistor a singolo drogante e di dispositivi spintronici a singola molecola ed elettronici per il salvataggio di dati, di sorgenti integrate di singoli fotoni composte da singole molecole, e di transitor ottici basati su nanostrutture plasmoniche [4].
Per questi obiettivi, sfrutteremo e svilupperemo nuovi schemi avanzati di fabbricazione, come la manipolazione atomo per atomo in dispositivi elettronici composti da singole molecole o strumenti di posizionamento con precisione nanometrica per manipolare a piacere l’interazione luce-materia [5].
BIBLIOGRAFIA
[1] P.M. Koenraad and M.E. Flatté, Nature Mater. 10, 91 (2011).
[2] M. Fuechsle et al., Nature Nanotech. 7, 242 (2012).
[3] J. O’Brien et al., Nature Photon. 3, 687 (2009).
[4] D.E. Chang et al., Nature Phys. 3, 807 (2007).
[5] O. Benson, Nature 480, 193 (2011).

Esperimenti/Studi INO correlati:
Single Emitters for Quantum technologies