Una ricerca congiunta tra il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e la George Washington University ha portato a scoperte rivoluzionarie nel campo dei materiali semiconduttori, pubblicate sulla rivista Science nel settembre 2025. Lo studio ha confermato che gli atomi all'interno dei semiconduttori possono auto-organizzarsi in distinti schemi localizzati, noti come "ordine a corto raggio" (SRO - Short-Range Order). Questi schemi SRO influenzano in modo significativo le proprietà elettroniche del materiale, aprendo nuove frontiere nella progettazione di dispositivi elettronici.
La ricerca si è concentrata sulle leghe di germanio-stagno (GeSn), materiali promettenti per l'informatica quantistica e l'optoelettronica. Utilizzando la microscopia avanzata a trasmissione elettronica a scansione 4D (4D-STEM), gli scienziati hanno osservato disposizioni atomiche chiare e ripetitive nei campioni di GeSn, fornendo la prima prova sperimentale diretta dell'esistenza di SRO nei semiconduttori. Lilian Vogl, precedentemente ricercatrice post-dottorato presso il Berkeley Lab e ora group leader presso il Max Planck Institute for Sustainable Materials, ha svolto un ruolo cruciale nell'ottenere queste immagini dettagliate, superando sfide tecniche per distinguere i segnali degli atomi di stagno e silicio da quelli del germanio.
Per interpretare questi schemi atomici, il team ha collaborato con il gruppo di Tianshu Li alla George Washington University. I ricercatori hanno sviluppato un sofisticato modello di machine learning capace di simulare milioni di atomi, permettendo di abbinare con precisione i motivi sperimentali con specifiche strutture atomiche. Questo approccio integrato di modellazione e sperimentazione ha portato a una comprensione completa dell'SRO nelle leghe GeSn. Il lavoro di Tianshu Li e del suo team è fondamentale per decifrare le complesse interazioni atomiche e prevedere il comportamento dei materiali.
Queste scoperte hanno implicazioni sostanziali per lo sviluppo di futuri dispositivi microelettronici. La capacità di controllare con precisione l'SRO consente agli scienziati di adattare efficacemente le caratteristiche elettroniche dei semiconduttori, potenzialmente portando alla creazione di componenti elettronici più efficienti e specializzati. Andrew Minor, direttore del National Center for Electron Microscopy presso il Molecular Foundry del Berkeley Lab, ha sottolineato l'importanza di queste scoperte nel modificare le proprietà fondamentali dei semiconduttori, come il band gap. La ricerca ha il potenziale per influenzare un'ampia gamma di tecnologie, tra cui i materiali quantistici, il calcolo neuromorfico e i rivelatori ottici. La presentazione dei risultati al 2025 MRS Spring Meeting & Exhibit a Seattle, Washington, ha evidenziato l'interesse della comunità scientifica per questi avanzamenti, supportati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dal Molecular Foundry.