Forskere opdager chirale fononer i en 2-D halvlederkrystal

Et forskerhold fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fundet det første bevis på, at en rystende bevægelse i strukturen af ​​et atomisk tyndt (2-D) materiale besidder en naturligt forekommende cirkulær rotation.

Denne rotation kan blive byggestenen for en ny form for informationsteknologi, og til design af molekyler i rotorer til at drive mikroskopiske motorer og maskiner.

Det monolag materiale, wolframdiselenid (WSe ₂ ), er allerede kendt for sin usædvanlige evne til at opretholde særlige elektroniske egenskaber, der er langt mere flygtige i andre materialer.

Det betragtes som en lovende kandidat til en efterspurgt form for datalagring kendt som valleytronics, for eksempel, hvor momentum og bølgelignende bevægelse af elektroner i et materiale kan sorteres i modsatte "dale" i et materiales elektroniske struktur, med hver af disse dale repræsenterer dem og nuller i konventionelle binære data.

Moderne elektronik er typisk afhængig af manipulationer af ladningen af ​​elektroner til at transportere og gemme oplysninger, Selvom elektronik i stigende grad miniaturiseres, er de mere udsat for problemer forbundet med varmeopbygning og elektriske lækager.

Den seneste undersøgelse, offentliggjort online i denne uge i tidsskriftet Videnskab , giver en mulig vej til at overvinde disse spørgsmål. Det rapporterer, at nogle af materialets fononer, et udtryk, der beskriver kollektive vibrationer i atomkrystaller, roterer naturligt i en bestemt retning.

Denne egenskab er kendt som chiralitet - ligner en persons håndethed, hvor venstre og højre hånd er et spejlbillede af hinanden, men ikke identiske. Kontrol af denne rotations retning ville give en stabil mekanisme til at transportere og gemme information.

"Fononer i faste stoffer betragtes normalt som atomernes kollektive lineære bevægelse, "sagde Xiang Zhang, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen og seniorforsker ved Materials Science Division ved Lawrence Berkeley National Laboratory og professor ved UC Berkeley. "Vores eksperiment opdagede en ny type såkaldte kirale fononer, hvor atomer bevæger sig i cirkler i en atomær monolagskrystal af wolframdiselenid."

Hanyu Zhu, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og en postdoc-forsker ved Zhangs gruppe, sagde, "En af de største fordele ved chiral fonon er, at rotationen er låst med partikelens momentum og ikke let forstyrres."

I den studerede fonon -tilstand, selenatomer ser ud til at rotere kollektivt med uret, mens wolframatomerne ikke viste nogen bevægelse. Forskere forberedte en "sandwich" med fire ark af WSe2-prøver af centimeterstørrelse placeret mellem tynde safirkrystaller. De synkroniserede ultrahurtige lasere for at registrere de tidsafhængige bevægelser.

De to laserkilder konvergerede på et sted på prøverne, der kun måler 70 milliontedele af en meter i diameter. En af laserne blev præcist skiftet mellem to forskellige tuningtilstande for at mærke forskellen på venstre og højre chiral fononaktivitet.

En såkaldt pumpelaser produceret synlig, røde lyspulser, der begejstrede prøverne, og en sondelaser producerede mellem-infrarøde pulser, der fulgte den første pumpepuls inden for en billionion af et sekund. Omkring en mellem-infrarød foton ud af 100 millioner absorberes af WSe2 og omdannes til en chiral fonon.

Forskerne fangede derefter højenergiluminescensen fra prøven, en underskrift af denne sjældne absorptionsbegivenhed. Gennem denne teknik, kendt som forbigående infrarød spektroskopi, forskere bekræftede ikke kun eksistensen af ​​en chiral fonon, men opnåede også nøjagtigt dens rotationsfrekvens.

Indtil nu, processen producerer kun et lille antal chirale fononer. Et næste trin i forskningen vil være at generere et større antal roterende fononer, og for at lære, om kraftige omrøring i krystallen kan bruges til at vende elektronernes spin eller væsentligt ændre materialets daleegenskaber. Spin er en iboende egenskab ved en elektron, der kan betragtes som dens kompassnål - hvis den kunne vendes til at pege enten nord eller syd, kunne den bruges til at formidle information i en ny form for elektronik kaldet spintronics.

"Den potentielle fononbaserede kontrol af elektroner og spins til enhedsapplikationer er meget spændende og inden for rækkevidde, "Sagde Zhu." Vi har allerede bevist, at fononer er i stand til at skifte den elektroniske dal. Ud over, dette arbejde giver mulighed for at bruge de roterende atomer som små magneter til at styre spin -orienteringen. "

De chirale egenskaber fundet i undersøgelsen eksisterer sandsynligvis på tværs af en bred vifte af 2D-materialer baseret på en lignende mønsterstruktur i deres atomare struktur, Zhu bemærkede også, tilføjede, at undersøgelsen kunne vejlede teoretiske undersøgelser af elektron-fonon-interaktioner og design af materialer for at forbedre fononbaserede effekter.

"Det samme princip virker i alle 2-D periodiske strukturer med tredobbelt symmetri og inversionsasymmetri," sagde Zhu. "Det samme princip dækker en enorm familie af naturlige materialer, og der er næsten uendelige muligheder for at skabe rotorer på molekylær skala."