Det hele er i twisten:Fysikere stabler 2D-materialer i vinkler for at fange partikler

Fremtidige teknologier baseret på kvantemekanikkens principper kan revolutionere informationsteknologien. Men for at realisere morgendagens enheder, Nutidens fysikere skal udvikle præcise og pålidelige platforme til at fange og manipulere kvantemekaniske partikler.

I et papir offentliggjort 25. februar i tidsskriftet Natur , et hold fysikere fra University of Washington, University of Hong Kong, Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee, rapporterer, at de har udviklet et nyt system til at fange individuelle excitoner. Disse er bundne elektronpar og deres tilhørende positive ladninger, kendt som huller, som kan frembringes, når halvledere absorberer lys. Excitons er lovende kandidater til at udvikle nye kvanteteknologier, der kan revolutionere beregnings- og kommunikationsfelterne.

Holdet, ledet af Xiaodong Xu, UW's Boeing Distinguished Professor i både fysik og materialevidenskab og teknik, arbejdet med to enkeltlags 2-D halvledere, molybdændiselenid og wolframdiselenid, som har lignende honeycomb-lignende arrangementer af atomer i et enkelt plan. Da forskerne placerede disse 2-D materialer sammen, en lille drejning mellem de to lag skabte en "supergitter"-struktur kendt som et moiré-mønster - et periodisk geometrisk mønster set fra oven. Forskerne fandt ud af, at ved temperaturer kun få grader over det absolutte nulpunkt, dette moiré-mønster skabte et tekstureret landskab på nanoskalaniveau, ligner fordybningerne på overfladen af ​​en golfbold, som kan fange excitoner på plads som æg i en æggekarton. Deres system kunne danne grundlag for en ny eksperimentel platform til overvågning af excitoner med præcision og potentielt udvikling af nye kvanteteknologier, sagde Xu, som også er fakultetsforsker ved UW's Clean Energy Institute.

Excitoner er spændende kandidater til kommunikations- og computerteknologier, fordi de interagerer med fotoner – enkelte pakker, eller kvantum, af lys - på måder, der ændrer både exciton- og fotonegenskaber. En exciton kan frembringes, når en halvleder absorberer en foton. Excitonen kan også senere transformere tilbage til en foton. Men når en exciton først produceres, det kan arve nogle specifikke egenskaber fra den individuelle foton, såsom spin. Disse egenskaber kan derefter manipuleres af forskere, såsom at ændre spin-retningen med et magnetfelt. Når excitonen igen bliver en foton, fotonen bevarer information om, hvordan excitonegenskaberne ændrede sig i løbet af dens korte levetid - typisk, omkring hundrede nanosekunder for disse excitoner - i halvlederen.

For at kunne udnytte individuelle excitoners "informationsregistrerende" egenskaber i enhver teknologisk anvendelse, forskere har brug for et system til at fange enkelte excitoner. Moiré-mønsteret opfylder dette krav. Uden det, de små excitons, som menes at være mindre end 2 nanometer i diameter, kunne spredes overalt i prøven - hvilket gør det umuligt at spore individuelle excitoner og den information, de besidder. Mens videnskabsmænd tidligere havde udviklet komplekse og følsomme tilgange til at fange flere excitoner tæt på hinanden, moiré-mønsteret udviklet af det UW-ledede team er i det væsentlige et naturligt dannet 2-D-array, der kan fange hundredvis af excitoner, hvis ikke mere, hvor hver fungerer som en kvanteprik, en første inden for kvantefysik.

Et unikt og banebrydende træk ved dette system er, at egenskaberne ved disse fælder, og dermed excitonerne, kan styres med et twist. Da forskerne ændrede rotationsvinklen mellem de to forskellige 2-D halvledere, de observerede forskellige optiske egenskaber i excitoner. For eksempel, excitoner i prøver med vridningsvinkler på nul og 60 grader viste slående forskellige magnetiske momenter, samt forskellige heliciteter af polariseret lysemission. Efter at have undersøgt flere prøver, forskerne var i stand til at identificere disse drejningsvinkelvariationer som "fingeraftryk" af excitoner fanget i et moiré-mønster.

I fremtiden, forskerne håber på systematisk at studere virkningerne af små vridningsvinkelvariationer, som kan finjustere afstanden mellem excitonfælderne - æggekartonens fordybninger. Forskere kunne indstille moiré-mønsterbølgelængden stor nok til at sondere excitoner isoleret eller lille nok til at excitoner er placeret tæt sammen og kunne "tale" med hinanden. Dette første af sin slags præcisionsniveau kan lade videnskabsmænd undersøge de kvantemekaniske egenskaber af excitoner, når de interagerer, som kunne fremme udviklingen af ​​banebrydende teknologier, sagde Xu.

"I princippet, disse moiré-potentialer kunne fungere som arrays af homogene kvanteprikker, " sagde Xu. "Denne kunstige kvanteplatform er et meget spændende system til at udøve præcisionskontrol over excitoner - med konstruerede interaktionseffekter og mulige topologiske egenskaber, hvilket kan føre til nye typer enheder baseret på den nye fysik."

"Fremtiden er meget rosenrød, " tilføjede Xu.