Niezwykle cienkie materiały składające się z zaledwie kilku warstw atomowych mogą znaleźć zastosowanie w elektronice i technologiach kwantowych.
Badacze radykalnie przyspieszyli przełączanie między ekscytonami i trionami w układzie dwuwymiarowym półprzewodniki używając terahercowy impulsy, oferując nowe możliwości zastosowań materiałów kwantowych. Ten przełom, osiągnięty przez międzynarodowy zespół, w skład którego wchodzą naukowcy z TU Dresden i HZDR, umożliwia niemal natychmiastowe przejścia i toruje drogę przyszłym innowacjom w technologii czujników i optycznym przetwarzaniu danych.
Dynamika ekscytonu i trionu
Dwuwymiarowe półprzewodniki mogą wykazywać zasadniczo odmienne właściwości w porównaniu z bardziej konwencjonalnymi kryształami masowymi. W szczególności łatwiej jest wygenerować tak zwane cząstki ekscytonowe: jeśli elektron, o którym wiadomo, że jest naładowany ujemnie, zostanie wzbudzony w materiale poprzez absorpcję energii, zostanie usunięty ze swojego pierwotnego położenia. Pozostawia ładunek mobilny – dodatnio naładowaną „dziurę”.
Elektrony i dziury przyciągają się nawzajem i tworzą razem stan związany zwany ekscytonem, rodzaj pary elektronowej. Jeśli w pobliżu znajduje się inny elektron, jest on przyciągany w jego stronę, tworząc stan trzech cząstek – w żargonie naukowym nazywany trionem. Cechą szczególną trionu jest połączenie ładunku elektrycznego z silną emisją światła, co pozwala na jednoczesne sterowanie elektroniczne i optyczne.
Przyspieszanie przełączników kwantowych
Od dłuższego czasu wzajemne oddziaływanie ekscytonu i trionu uważa się za proces przełączania, który jest zarówno intrygujący sam w sobie, jak i może być interesujący w przyszłych zastosowaniach. W rzeczywistości wielu laboratoriom udało się już przełączać między dwoma stanami w sposób ukierunkowany – ale jak dotąd z ograniczonymi prędkościami przełączania.
Międzynarodowy zespół kierowany przez prof. Aleksieja Czernikowa z TU Dresden i fizyka z HZDR, dr Stephana Winnerla, był teraz w stanie znacznie przyspieszyć to przejście. Prace prowadzono w ramach Klastra Doskonałości Würzburg-Drezno „Złożoność i topologia w materiałach kwantowych, ct.qmat”. Naukowcy z Marburga, Rzymu, Sztokholmu i Tsukuby wnieśli istotny wkład w projekt.
Bicie rekordów prędkości za pomocą impulsów terahercowych
Eksperymenty przeprowadzono w specjalnym obiekcie w HZDR. Laser na swobodnych elektronach FELBE wytwarza intensywne impulsy terahercowe – zakres częstotliwości mieszczący się pomiędzy falami radiowymi a promieniowaniem bliskiej podczerwieni. Naukowcy najpierw oświetlili atomowo cienką warstwę diselenku molibdenu w temperaturach kriogenicznych krótkimi impulsami laserowymi, generując ekscytony. Gdy tylko powstały, każdy ekscyton wychwytywał elektron z tych, które są już obecne w wystarczającej liczbie w materiale, i w ten sposób stał się trionami.
„Kiedy następnie wystrzeliliśmy w materiał impulsy terahercowe, triony niezwykle szybko uformowały się z powrotem w ekscytony” – wyjaśnia Winnerl. „Udało nam się to pokazać, ponieważ ekscytony i triony emitowały promieniowanie bliskiej podczerwieni o różnych długościach fal”. Decydującym czynnikiem w eksperymencie było dopasowanie częstotliwości impulsów terahercowych do rozerwania słabego wiązania między ekscytonem a elektronem – w ten sposób ponownie odtworzono parę składającą się z tylko jednego elektronu i jednej dziury. Wkrótce potem ten ekscyton wychwytuje inny elektron i ponownie staje się trionem.
Rozdzielenie na ekscytony następowało z rekordową szybkością. Więź została zerwana w ciągu kilku pikosekund – bilionowych części sekundy. „To prawie tysiąc razy szybciej niż było to dotychczas możliwe przy użyciu metod czysto elektronicznych i można je wygenerować na żądanie za pomocą promieniowania terahercowego” – podkreśla naukowiec z TU Czernikow.
Nowa metoda stwarza ciekawe perspektywy badawcze. Następnym krokiem mogłoby być rozszerzenie zademonstrowanych procesów na różnorodne złożone stany elektroniczne i platformy materiałowe. Niezwykłe kwantowe stany materii, które powstają w wyniku silnego oddziaływania między wieloma cząsteczkami, byłyby zatem w zasięgu ręki, podobnie jak zastosowania w temperaturze pokojowej.
Rozszerzanie zastosowań materiałów kwantowych
Wyniki mogą również okazać się przydatne w przyszłych zastosowaniach, na przykład w technologii czujników lub optycznym przetwarzaniu danych. „Możliwe byłoby dostosowanie efektu do nowych typów modulatorów z szybkim przełączaniem” – wyjaśnia Winnerl. „W połączeniu z ultracienkimi kryształami można by to wykorzystać do opracowania komponentów, które są zarówno niezwykle kompaktowe, jak i zdolne do elektronicznego kontrolowania optycznie zakodowanych informacji”.
Inną dziedziną byłyby zastosowania w detekcji i obrazowaniu istotnego technologicznie promieniowania terahercowego. „Na podstawie zademonstrowanych procesów przełączania w atomowo cienkich półprzewodnikach w dłuższej perspektywie możliwe będzie opracowanie detektorów pracujących w zakresie terahercowym, dających się regulować w szerokim zakresie częstotliwości i które mogłyby zostać zrealizowane jako kamery terahercowe wyposażone w dużą liczbę pikseli” – sugeruje Czernikow.
„Zasadniczo nawet stosunkowo niska intensywność powinna wystarczyć do uruchomienia procesu przełączania.” Zamiana trionów na ekscytony prowadzi do charakterystycznych zmian w długości fali emitowanego światła bliskiej podczerwieni. Wykrycie tego i przekształcenie go w obrazy byłoby dość proste i można by to osiągnąć przy użyciu już istniejącej, najnowocześniejszej technologii.
Odniesienie: „Ultraszybkie przełączanie trionów w materiałach 2D za pomocą fotonów terahercowych” Tommaso Venanzi, Marzia Cuccu, Raul Perea-Causin, Xiaoxiao Sun, Samuel Brem, Daniel Erkensten, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Ermin Malic, Manfred Helm, Stephan Winnerl i Aleksiej Czernikow, 23 września 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01512-0
