Spektral klassificering af excitoner

Ultratynde lag af wolframdiselenid har potentielle anvendelser inden for optoelektronik og kvanteteknologier. LMU-forskere har nu undersøgt, hvordan dette materiale interagerer med lys i nærvær af stærke magnetiske felter.

På grund af deres forbløffende og alsidige egenskaber, atomisk tynde monolags- og dobbeltlagsformer af halvledende overgangsmetal dichalcogenider har vakt stor interesse i de senere år. Der har hidtil været mest opmærksomhed på de optiske egenskaber af disse materialer, såsom molybdensulfid (MoS) og wolframdiselenid (WSe ₂ ). Disse forbindelser viser meget lovende som elementer i nanoskala til applikationer i opto-elektroniske og kvanteteknologier.

I en ny undersøgelse, LMU-fysikere ledet af Alexander Högele har nu udviklet en teoretisk model, som beskriver virkningerne af magnetiske felter på excitoners opførsel i todimensionelle ultratynde overgangsmetal dichalcogenider. Excitoner er stærkt bundne kvasipartikler, sammensat af en elektron i ledningsbåndet og dens positivt ladede modstykke i valensbåndet, der omtales som et hul. I nærvær af stærke magnetiske felter, energitilstandene for sådanne kvasipartikler (dvs. de frekvenser, hvormed de udsender og absorberer lys) deler sig. Denne spektrale opsplitning kan måles eksperimentelt og - endnu vigtigere i den nuværende sammenhæng - den kan også forudsiges teoretisk.

I undersøgelsen, holdet afkølede enkeltlags- og dobbeltlagsprøver af WSe ₂ til temperaturen af ​​flydende helium på nogle få grader Kelvin. Forskerne brugte derefter optisk spektroskopi til at måle emissionsspektrene som funktion af magnetfelt op til 9 Tesla og bestemte den feltinducerede opsplitning. "Målinger som denne er nyttige til at studere excitoner, som igen bestemmer lys-stof-interaktionen mellem halvledere, ", forklarer Högele.

Det var allerede kendt, at excitoner kan dannes i forskellige konfigurationer. Ud over lyse excitoner, hvilket par direkte til lys, parringen af ​​elektroner og huller kan producere spin-mørke og momentum-mørke excitoner. Indtil nu, det har ikke været muligt endeligt at tildele signaturerne observeret i emissionsspektre til disse forskellige excitonarter. I nærvær af magnetfelt, imidlertid, individuelle emissionstoppe udviser karakteristiske spektrale spaltninger. "Denne opdeling kan bruges til at skelne mellem de forskellige typer excitoner, " siger Högele, "men kun hvis vi har den tilsvarende teoretiske model." LMU-teamet udviklede teori til ud fra de første principper at beregne den spektrale opdeling for de forskellige typer excitoner i monolag og tolags WSe ₂ udsat for magnetfelt, og sammenlignede deres teoretiske forudsigelser med de eksperimentelle data.

Resultaterne giver en bedre forståelse af WSe's opto-elektroniske egenskaber ₂ og beslægtede overgangsmetal-dichalcogenider, hvor excitoner repræsenterer den primære grænseflade for lys til at interagere med nanoskala. Ultratynde lag af WSe ₂ tjene som et testbed for teknologisk udnyttelse af lys-stof-kobling i opto-elektroniske enheder, herunder fotodetektorer og emittere eller fotovoltaiske enheder. "Disse ultratynde materialer er mekanisk fleksible og ekstremt kompakte, "siger Högele. De er også potentielt levedygtige for kvanteteknologier, da de er vært for dale som kvante frihedsgrader, der kan tjene som qubits, de grundlæggende enheder for informationsbehandling i kvantecomputere.