Valon ja aineen vuorovaikutuksia kaksiulotteisissa

Tutkimukset valon ja aineen vuorovaikutuksista voi johtaa parempiin elektroniikka- ja optoelektronisiin laitteisiin.

Rensselaerin apulaisprofessori Sufei Shin tutkimusjulkaisu lisää ymmärrystä siitä, miten valo toimii vuorovaikutuksessa atomisen ohuen puolijohteen kanssa ja luo ainutlaatuisia monimutkaisia eksitonisia hiukkasia eli useita elektroneja ja aukkoja, jotka ovat vahvasti sidoksissa toisiinsa.

Näillä hiukkasilla on uusi kvanttitason vapausaste, nimeltään "laakso spin". Laakson spin on samanlainen kuin elektronien spin, jota käytetään laajasti informaation tallentamiseen kiintolevyssä mutta on myös lupaava ehdokas kvantti-laskennalle.

Tutkimustulokset voivat johtaa uusiin sovelluksiin elektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa, kuten aurinkoenergian korjuussa, uudenlaisissa lasereissa ja kvanttitunnistuksessa.

Shin tutkimus keskittyy pieniulotteisiin kvanttimateriaaleihin ja niiden kvanttiefekteihin ja erityisesti materiaaleihin, joilla on voimakas valo-aine vuorovaikutus. Näihin materiaaleihin kuuluvat grafeeni, siirtymämetallikalkogeenejä (TMD), kuten volframi diselenidi (WSe2) ja topologiset eristeet.

Esimerkiksi ohuilla TMD-puolijohteilla on erinomaiset optiset ja optoelektroniset ominaisuudet. Optinen viritys kaksiulotteisissa TMD-materiaaleissa tuottaa vahvasti sitoutuneen elektroniaukkoparin eli eksitonin, eikä vapaasti liikkuvia elektroneja ja aukkoja kuten perinteisissä bulkkipuolijohteissa.

Tämä johtuu jättimäisestä sidosenergiasta yksikerroksisissa TMD:ssä, mikä on suuruusluokkaa suurempi kuin perinteisissä puolijohteissa. Tämän seurauksena eksitoni voi selviytyä huonelämpötilassa ja sitä voidaan näin ollen käyttää eksitonisten laitteiden sovelluksiin.

Kun eksitonien tiheys kasvaa, useampia elektroneja ja aukkoja yhdistyy yhteen muodostaen neljän ja jopa viiden hiukkasen eksitonikomplekseja. Käsitys niistä tuottaa paitsi valo-aine vuorovaikutuksen perustavanlaatuisen ymmärryksen kaksiulotteisissa mutta se johtaa myös uusiin sovelluksiin, koska monen hiukkasen eksitonikompleksit ylläpitävät laakso spin ominaisuuksia paremmin kuin eksitonit.

"Ensimmäistä kertaa olemme nyt paljastaneet todellisen bieksitonisen tilan, ainutlaatuisen neljän hiukkasen kompleksin, joka reagoi valoon", toteaa Shi. "Me osoitimme myös varautuneen bieksitonin eli viiden partikkelikompleksin luonteen."

Tutkimuksen tulokset voisivat johtaa vankkaan monihiukkasiseen optiseen fysiikkaan ja kuvailemaan mahdollisia uudenlaisia sovelluksia, jotka perustuvat 2D-puolijohteisiin, toteaa Shi yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Materiaalitieteen löytöjä

Viritettävää harmonisten generointia

Hiilinanoputki yhdistää valon ja aineen

Tehokkaampaa optoelektroniikkaa