Et skridt mod at kontrollere spin-afhængig petahertz-elektronik ved materialefejl

Driftshastigheden af ​​halvledere i forskellige elektroniske og optoelektroniske enheder er begrænset til flere gigahertz (en milliard svingninger pr. sekund). Dette begrænser den øvre grænse for databehandlingshastigheden. Nu har forskere fra MPSD og Indian Institute of Technology i Bombay forklaret, hvordan disse processer kan fremskyndes gennem brug af lysbølger og defekte faste materialer.

Lysbølger udfører flere hundrede billioner svingninger i sekundet. Derfor, det er naturligt at forestille sig at anvende lysoscillationer til at drive den elektroniske bevægelse. I modsætning til konventionelle teknikker, lysbølger initierer ikke kun den elektroniske bevægelse, men styrer den også på dens naturlige tidsskala, dvs. attosekundets tidsskala (et attosekund er en kvintilliontedel af et sekund). Dette har potentiale til at øge driftshastigheden for enheder og computing i størrelsesordener og åbner en vej til petahertz -elektronik.

Højfrekvente lysglimt udsendes, når et fast stof udsættes for intenst ultrakort lys. Denne proces er kendt som høj harmonisk generering (HHG). De elektriske feltoscillationer af det indfaldende lys udløser og styrer bevægelsen af ​​elektroner i faste stoffer, som sætter strømmen i faste stoffer. Den inducerede strøm har to bidrag:et fra overgangene af elektroner fra valensbånd til ledningsbånd og et andet på grund af bevægelsen af ​​elektroner og huller i deres respektive energibånd.

I de teoretiske og eksperimentelle undersøgelser af processen med HHG i faste stoffer, det antages almindeligvis, at de faste stoffer er fejlfrie. Imidlertid, denne underliggende antagelse er ikke sand i praksis. I ægte faste stoffer, defekter er uundgåelige på grund af deres vækstprocesser. De kan have forskellige former, såsom ledige stillinger, mellemliggende annoncer, eller urenheder. På nuværende tidspunkt, ikke meget vides om, hvordan tilstedeværelsen af ​​defekter kan ændre HHG-processen og tilhørende elektrondynamik. Når man husker på, at defektteknik har været rygraden i konventionel optoelektronik, det er derfor afgørende at forstå defekters rolle i forbindelse med petahertz-elektronik og spintronik.

I deres seneste teoretiske arbejde udgivet i npj Beregningsmaterialer , et team af forskere fra Indian Institute of Technology (IIT) i Bombay, Indien, og Max-Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamborg, Tyskland, har adresseret en vigtig manglende information til bestræbelserne på petahertz-elektronik og spintronik:Hvordan påvirker de forskellige slags defekter elektronernes bevægelse i faste stoffer under HHG? For at besvare dette spørgsmål, et todimensionalt monolag af hexagonalt bornitrid (h-BN) med et bor- eller nitrogenatomtomrum udsættes for et intenst lysglimt.

h-BN begynder at opføre sig som en donor eller en acceptor af elektroner, så snart et nitrogen- eller et boratom er fjernet. Dette resulterer i kvalitativt forskellige elektroniske strukturer, og de inducerede tomgangsdefekter bliver spin-polariserede. I særdeleshed, forskerholdet fandt, at de to spin-kanaler påvirkes forskelligt, og at elektroner med modsatte spin bidrager forskelligt til højharmonisk emission. I øvrigt, elektron-elektron-interaktionen manifesterer sig forskelligt i defekterede faste stoffer i sammenligning med den uberørte.

Nærværende arbejde forudser også situationen, hvor enten et nitrogen- eller et boratom erstattes af et carbonatom (doping-defekt) i stedet for at fjerne atomet fuldstændigt fra h-BN. Når et enkelt boratom erstattes af et enkelt carbonatom, elektrondynamikken ligner dem, hvor et nitrogenatom fjernes fuldstændigt fra h-BN. Modsat den modsatte situation opstår, når et nitrogenatom erstattes af et carbonatom:Her, dynamikken ligner dem, hvor et boratom er fuldstændig løsrevet fra systemet.

Dette arbejde er et væsentligt skridt i retning af at opnå bedre kontrol af lysbølge-drevet petahertz-spintronik ved hjælp af defektkonstruktion i faste stoffer.