Los físicos destacan una forma sólida de extender la vida de los excitones

Investigadores de óptica de la Universidad de Texas en Dallas han demostrado por primera vez que un nuevo método para fabricar semiconductores ultrafinos produce un material en el que los excitones viven hasta 100 veces más que los materiales creados con métodos anteriores.

Los resultados muestran que los excitones, las cuasipartículas que transmiten energía, duran lo suficiente para una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluidos los qubits en dispositivos de computación cuántica.

El Dr. Anton Malko, profesor de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, es el autor correspondiente de un artículo de investigación publicado en línea el 30 de marzo en materiales avanzados Describe las pruebas en semiconductores ultrafinos realizados con un método recientemente desarrollado denominado tecnología de síntesis asistida por láser (LAST). Los resultados muestran una nueva física cuántica en acción.

Los semiconductores son una clase de materiales sólidos cristalinos que conexión eléctrica Se encuentra entre el conductor y el aislador. Esta conductividad se puede controlar externamente, ya sea mediante dopaje o puertas, lo que los convierte en componentes esenciales de diodos y transistores que admiten todas las tecnologías electrónicas modernas.

Los dicalcogenuros bidimensionales de metales de transición (TMD) son un nuevo tipo de semiconductor ultrafino que consiste en un metal de transición y un elemento calcógeno dispuestos en una sola capa atómica. Si bien los TMD se han explorado durante una década más o menos, el modelo 2D que examinó Malko tiene ventajas en cuanto a escalabilidad y propiedades fotovoltaicas.

«LAST es un método muy puro”, dijo Malko. «Tomas molibdeno o tungsteno puros y selenio o azufre puros y los vaporizas bajo una luz láser intensa». «Estos átomos están dispersos en un sustrato y hacen que el grosor de la capa bidimensional de TMD sea inferior a un nanómetro».

Las propiedades ópticas de un material están determinadas en parte por el comportamiento de los excitones, que son cuasipartículas que pueden transferir energía mientras permanecen eléctricamente neutras.

«Cuando un semiconductor absorbe un fotón, produce en el semiconductor un electrón con carga negativa acoplado a un orificio positivo, manteniendo una carga neutra. Ese par es un excitón. Y las dos porciones no están completamente libres una de la otra, todavía tienen culombios. «, dijo Malko.

Malko y su equipo se sorprendieron al descubrir que los excitones en los TMD recién producidos duran hasta 100 veces más que los de otros TMD.

«Rápidamente descubrimos, ópticamente, que estas muestras 2D se comportan de manera muy diferente a cualquier muestra que hayamos visto en 10 años de trabajo con TMD», dijo. «Cuando comenzamos a investigarlo, nos dimos cuenta de que no era una coincidencia; era reproducible y dependía de las condiciones de crecimiento».

Los propietarios creen que estas vidas más largas se deben a los excitones indirectos, que son ópticamente inactivos.

“Estos excitones se utilizan como una especie de reservorio para alimentar lentamente a los excitones fotoactivos”, dijo.

El autor principal del estudio, el Dr. Navindo Mondal, ex investigador postdoctoral en UT Dallas y ahora miembro individual de Marie Skodowska-Curie en el Imperial College de Londres, dijo que cree que los excitones indirectos están presentes debido a la cantidad anormal de tensión entre el material monocapa y el sustrato. que crece.

«El control de la tensión en monocapas atómicamente delgadas de TMD es una herramienta importante para adaptar sus propiedades ferroeléctricas», dijo Mondal. «Su estructura de banda electrónica es muy sensible a las distorsiones estructurales. Bajo suficiente tensión, las modificaciones de la banda prohibida provocan la formación de muchos excitones ‘oscuros’ indirectos ópticamente inactivos. Con este descubrimiento, revelamos cómo la presencia de estos excitones sutiles oscuros afecta a esos excitones eso creado por fotones directamente.”

Malko dijo que la tensión incrustada en los TMD 2D es comparable a lo que sucedería al comprimir el material con micro o nano pilares, aunque no es una opción técnica viable para capas tan delgadas.

«Esta cepa es crítica para crear estos excitones indirectos y ópticamente inactivos», dijo. «Si quitas el sustrato, se libera el estrés y desaparece esta maravillosa respuesta óptica».

Los excitones indirectos pueden controlarse electrónicamente y convertirse en fotones, dijo Malko, lo que abre el camino para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos.

«Este aumento de la edad tiene aplicaciones potenciales muy interesantes», dijo. «Cuando un excitón tiene una vida útil de unos 100 picosegundos o menos, no hay tiempo para usarlo. Pero en este material, podemos crear una reserva de excitones inactivos que viven más, unos pocos nanosegundos en lugar de cientos de picosegundos. Puede hacer mucho con esto.

Malko dijo que los hallazgos de la investigación son una importante prueba de concepto para futuros dispositivos de medición cuantitativa.

«Es la primera vez que sabemos que alguien ha hecho una observación tan fundamental de una excitación de larga duración en los materiales TMD, lo suficiente como para que se pueda utilizar como un supresor cuántico, como un electrón en un transistor o incluso como captación de luz en una celda solar». “No hay nada en la literatura que pueda explicar estas cosas tan largas excitón de por vida, pero ahora entendemos por qué tienen estas propiedades”.

Luego, los investigadores intentarán manipular los excitones utilizando un campo eléctrico, un paso clave para crear elementos lógicos a nivel cuántico.

«Los semiconductores clásicos ya estaban miniaturizados hasta la puerta antes de que los efectos cuánticos cambiaran completamente el juego», dijo Malko. «Si puede aplicar un voltaje de compuerta y demostrar que los materiales 2D TMD funcionarán para futuros dispositivos electrónicos, eso es un gran paso. La monocapa en un material 2D TMD es 10 veces más pequeña que el límite de volumen usando silicio. Pero, ¿pueden crear elementos lógicos a este tamaño Eso es lo que necesitamos para descubrirlo.