Elektroneja ja aukkoja yhdistellen

Kaksikerroksinen molybdeenidisulfidi on yksi van der Waalsin materiaali, jossa elektroneja voidaan virittää sopivalla kokeellisella järjestelyllä. Tällöin elektronit jättävät asemansa valenssikaistalla jättäen jälkeensä positiivisesti varautuneen aukon ja siirtyvät johtavuuskaistalle.

Ottaen huomioon elektronien ja aukkojen erilaiset varaukset, nämä kaksi vetoavat toisiinsa ja muodostavat elektroni-aukko -parin luoman eksitoni kvasihiukkasen, joka voi liikkua vapaasti materiaalin sisällä.

Tutkitussa kaksikerroksisessa valoviritys tuottaa kahta erityyppistä elektroni-aukko -paria: kerroksen sisäisiä pareja, joissa elektroni ja aukko sijaitsevat samassa materiaalikerroksessa ja välikerrospareja, joiden aukko ja elektroni sijaitsevat eri kerroksia ja ovat siksi avaruudellisesti erillään toisistaan.

Näillä kahdella elektroni-aukko -pareilla on erilaiset ominaisuudet: Sisäkerroksen parit vuorovaikuttavat voimakkaasti valon kanssa. Kerrosten väliset eksitonit ovat paljon himmeämpiä, mutta ne voidaan siirtää erilaisiin energioihin ja antavat siksi tutkijoille mahdollisuuden säätää absorboitunutta aallonpituutta.

Kerrostenväliset eksitonit osoittavat myös erittäin voimakkaita, epälineaarisia vuorovaikutuksia keskenään - ja näillä vuorovaikutuksilla on olennainen rooli monissa niiden mahdollisissa sovelluksissa.

Nyt professori Richard Warburtonin ja Baselin yliopiston Swiss Nanoscience Instituten (SNI) johtaman ryhmän tutkijat ovat yhdistäneet nämä kaksi elektroni-aukko -paria ajamalla ne samanlaisiin energioihin.

Tämä konvergenssi on mahdollista vain kerrosten välisten eksitonien säädettävyyden ansiosta ja tuloksena oleva kytkentä saa aikaan näiden kahden tyyppisen elektroni-aukko parien ominaisuuksien sulautumisen. Tutkijat voivat siksi räätälöidä yhdistettyjä hiukkasia, jotka eivät ole vain erittäin kirkkaita, vaan myös erittäin voimakkaasti vuorovaikutuksessa keskenään.

"Tämä antaa meille mahdollisuuden yhdistää molempien elektroni-aukko -parien hyödylliset ominaisuudet", selittää tohtoriopiskelija Lukas Sponfeldner. "Näitä yhdistettyjä ominaisuuksia voitaisiin käyttää tuottamaan uusi lähde yksittäisistä fotoneista, jotka ovat kvanttiviestinnän avaintekijä."

Tutkijat osoittivat myös, että tätä monimutkaista järjestelmää voidaan simuloida mekaniikan tai elektroniikan klassisia malleja käyttäen. Tutkimuksen nimi onkin Kapasitiivisesti ja induktiivisesti kytketyt eksitonit kaksikerros MoS2:ssa.

UC Riversiden tutkijat ovat puolestaan onnistuneet toteuttamaan elektronien ja aukkojen rinnakkaiselon suunnittelemalla 2D-puolijohteiden moiré-superhilan ja onnistuivat löytämään eksitonisen eristeen heteroliitoksisessa moire-superhilassa.

Uudenlaisen varauksenkuljettajien konfiguraation avulla tutkijat voivat kehitellä sellaisia laitetoimintoja, jotka eivät ole mahdollisia tavanomaisissa puolijohdemateriaaleissa.

Aiheesta aiemmin: