Nye forskningsresultater giver valleytronics et løft

Et internationalt forskerhold ledet af fysikere ved University of California, Riverside, har afsløret en ny kvanteproces inden for valleytronics, der kan fremskynde udviklingen af ​​denne ret nye teknologi.

Valleytronics, et portmanteau af "dal" og "elektronik, " bruger lokale energiminima - eller dale - i den elektroniske båndstruktur af halvledere. Nuværende halvlederteknologi bruger elektronisk ladning eller spin til at lagre og behandle information. I nogle halvledere, imidlertid, elektronernes dale bruges til at kode, behandle, og gemme oplysninger. Valleytronic-systemer har potentialet til at tilbyde informationsbehandlingssystemer, der er overlegne i forhold til ladnings- og spin-baserede halvlederteknologier.

Det UC Riverside-ledede forskerhold fokuserede på monolag wolframdiselenid (WSe ₂ ), en todimensionel halvleder med to adskilte elektroniske dale. Exciterede elektroner har en tendens til at slappe af og akkumuleres i en af ​​dalene for at opnå et dalindeks (K eller K'). Dalindeksene kan bruges til at repræsentere et og nul til at kode information - ligesom elektrisk ladning bruges i den nuværende teknologi.

Excitoner og trioner kan også indtage dalene i monolag WSe ₂ og bruges til at overføre dalinformation. En exciton er en kvantebundet tilstand af en elektron og et elektronhul. En trion er en kvantebundet tilstand af tre ladede partikler. Monolag WSe ₂ værter for lyse og mørke excitoner eller trioner med forskellige spin-konfigurationer; lys henfalder hurtigt til lys, mens mørke langsomt henfalder til lys.

"Udvikling af valleytronics kræver stabile daltilstande og nem identifikation af dalindeksene, " sagde Chun Hung "Joshua" Lui, en adjunkt ved Institut for Fysik og Astronomi ved UC Riverside, der ledede forskningen. "Mørke excitoner og trioner i monolag WSe ₂ har meget længere levetid og bedre dalstabilitet end de almindelige lyse excitoner og trioner. De mørke excitoner og trioner, derfor, fungere som fremragende kandidater til valleytronic-applikationer."

Lui forklarede, at indtil nu har ingen metode kunne læse dalindeksene for de mørke excitoner og trioner, fordi deres lysemission fra begge dale har nøjagtig den samme energi og polarisering, gør de to dale umulige at skelne fra hinanden. Luis forskerhold har nu overvundet denne hindring ved at identificere en målbar fysisk størrelse, der kan skelne mellem de to dalindekser af mørke excitoner og trioner.

"Vi observerede en ny henfaldsproces af mørke excitoner og trioner i monolag WSe ₂ , som giver os mulighed for at identificere deres dalindekser, " sagde Lui. "En mørk exciton eller trion kan henfalde til et par fotoner og fononer med en karakteristisk dalsignatur."

En foton er et kvantum af en elektromagnetisk bølge. Det kan have lineær eller chiral polarisering, når det elektromagnetiske felt svinger eller roterer. Rotationsretningen af ​​det elektromagnetiske felt bestemmer, om en chiral foton er højre- eller venstrehåndet. Tilsvarende et fonon er et kvantetal af atomare vibrationer i materialet. Atomisk vibration involverer normalt lineær oscillation af atomer. Men i nogle særlige tilfælde, atomerne kan rotere for at producere de såkaldte chirale fononer. Atomrotationsretningen bestemmer, om en chiral fonon er højre- eller venstrehåndet.

"Vi fandt ud af, at den mørke exciton i K-dalen henfalder til en højrehåndet foton og en venstrehåndet fonon, hvorimod den mørke exciton i den modsatte K'-dal henfalder til en venstrehåndet foton og en højrehåndet fonon, " sagde Lui. "Handheden af ​​den udsendte foton er en klar signatur af dalens indeks for de mørke excitoner og trioner."

Lui tilføjede, at evnen til at læse dark state-dalene kunne lette udforskningen af ​​dark-state-dalens dynamik og anvendelser inden for valleytronic-teknologi.

Undersøgelsen vises i Physical Review Research , en åben journal.