Valoa pimeään valleytroniikkaan

Okinawan tiede- ja teknologiainstituutin (OIST) tutkijat ovat ensimmäistä kertaa maailmassa havainneet suoraan vaikeasti havaittavien tummien eksitonien evoluutiota atomisen ohuissa materiaaleissa, mikä luo pohjan uusille läpimurroille sekä klassisessa että kvantti-informaation teknologioissa.

Yksikön johtaja, professori Keshav Dani, korostaa saavutusta: "Pimeillä eksitoneilla on suuri potentiaali informaationkantajina, koska ne ovat luonnostaan vähemmän todennäköisesti vuorovaikutuksessa valon kanssa ja siten vähemmän alttiita kvanttiominaisuuksiensa heikkenemiselle.

Tämä näkymättömyys tekee niistä kuitenkin myös erittäin haastavia tutkia ja käsitellä.

Laaksotroniikassa ainutlaatuisten materiaalien kiderakenne mahdollistaa informaation koodaamisen elektronien erillisiin liikemäärätiloihin, joita kutsutaan laaksoiksi.

Mahdollisuus käyttää tummien eksitonien laaksoulottuvuutta informaation kuljettamiseen tekee ne lupaaviksi ehdokkaiksi kvanttiteknologioille. Tummat eksitonit ovat luonteeltaan kestävämpiä ympäristötekijöille, kuten lämpötaustalle, kuin nykyinen kubittien sukupolvi, mikä saattaa vaatia vähemmän äärimmäistä jäähdytystä ja tekee niistä vähemmän alttiita dekoherenssille, jossa ainutlaatuinen kvanttitila hajoaa.

Kuten kaikkien puolijohteiden kohdalla, siirtymämetallidikalkogenidien (TMD) atomit ovat järjestäytyneet kidehilaan, joka rajoittaa elektronit tiettyyn energiatasoon (tai -vyöhykkeeseen), kuten valenssivyöhykkeeseen. Valolle altistettuina negatiivisesti varautuneet elektronit virittyvät korkeampaan energiatilaan – johtavuusvyöhykkeeseen – jättäen jälkeensä positiivisesti varautuneen aukon valenssivyöhykkeelle.

Elektronit ja aukot sitoutuvat toisiinsa sähköstaattisen vetovoiman avulla muodostaen eksitonin kvasihiukkasia. Jos elektronin ja aukon tietyt kvanttiominaisuudet vastaavat toisiaan ne yhdistyvät uudelleen pikosekunnissa ja emittoivat samalla valoa eli ovat "kirkkaita" eksitoneja.

Jos elektronin ja aukon kvanttiominaisuudet eivät kuitenkaan täsmää, elektroni ja aukko eivät voi rekombinoitua itsestään eivätkä emittoi valoa, joten ovat 'pimeitä' eksitoneja.

"Pimeitä eksitoneja on kahdenlaisia; "liikemääräpimeä ja spinpimeä, riippuen siitä, missä elektronin ja aukon ominaisuudet ovat ristiriidassa", selittää tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja David Bacon. Ominaisuuksien epäsuhta ei ainoastaan estä välitöntä rekombinaatiota, jolloin ne voivat olla olemassa jopa useita nanosekunteja, mikä on paljon hyödyllisempi aikaskaala, vaan myös tekee pimeistä eksitoneista eristyneempiä ympäristön vuorovaikutuksista."

"TMD-metallien ainutlaatuinen atomi-symmetria tarkoittaa, että kun ne altistetaan ympyräpolarisaatiossa olevalle valolle, voidaan valikoivasti luoda kirkkaita eksitoneja vain tietyssä laaksossa.

Kirkkaat eksitonit kuitenkin muuttuvat nopeasti lukuisiksi tummiksi eksitoneiksi, jotka voivat mahdollisesti säilyttää laaksoinformaation.

On epäselvää, mitkä tummien eksitonien lajit ovat kyseessä ja missä määrin ne voivat ylläpitää laaksoinformaatiota, mutta tämä on keskeinen askel tulevissa valleytroniikan sovellusten tavoitteluissa", selittää tohtori Vivek Pareek.

Aiheesta aiemmin:

Uusi lähestymistapa elektronisten tilojen hallintaan

Laaksotroniikka lämpenee

Etsausta spintroniikalle ja laaksotroniikalle