Kortlægning af kvantestrukturer med lys for at låse deres muligheder op

Et nyt værktøj, der bruger lys til at kortlægge krystallers elektroniske strukturer, kan afsløre mulighederne for nye kvantematerialer og bane vejen for avancerede energiteknologier og kvantecomputere, ifølge forskere ved University of Michigan, University of Regensburg og University of Marburg.

Et papir om værket udgives i Videnskab .

Ansøgninger omfatter LED -lys, solceller og kunstig fotosyntese.

"Kvantematerialer kan have en indflydelse langt ud over kvanteberegning, "sagde Mackillo Kira, professor i elektroteknik og datalogi ved University of Michigan, der ledede teorisiden af ​​det nye studie. "Hvis du optimerer kvanteegenskaber rigtigt, du kan få 100% effektivitet for lysabsorbering. "

Siliciumbaserede solceller er allerede ved at blive den billigste form for elektricitet, selvom deres konverteringseffektivitet fra sollys til elektricitet er ret lav, omkring 30%. Nye "2-D" halvledere, som består af et enkelt lag krystal, kunne gøre det meget bedre - potentielt bruge op til 100% af sollyset. De kunne også hæve kvanteberegning til stuetemperatur fra de maskiner, der er vist næsten absolut-nul indtil nu.

"Nye kvantematerialer opdages nu i et hurtigere tempo end nogensinde, "sagde Rupert Huber, professor i fysik ved universitetet i Regensburg i Tyskland, der ledede det eksperimentelle arbejde. "Ved simpelthen at stable sådanne lag oven på hinanden under variable vridningsvinkler, og med et bredt udvalg af materialer, forskere kan nu skabe kunstige faste stoffer med virkelig hidtil usete egenskaber. "

Evnen til at kortlægge disse egenskaber ned til atomerne kan hjælpe med at strømline processen med at designe materialer med de rigtige kvantestrukturer. Men disse ultratynde materialer er meget mindre og mere rodet end tidligere krystaller, og de gamle analysemetoder virker ikke. Nu, 2-D materialer kan måles med den nye laserbaserede metode ved stuetemperatur og tryk.

De målbare operationer omfatter processer, der er nøglen til solceller, lasere og optisk drevet kvanteberegning. I det væsentlige, elektroner springer mellem en "grundtilstand, "hvor de ikke kan rejse, og angiver i halvlederens "ledningsbånd, "hvor de frit kan bevæge sig gennem rummet. De gør dette ved at absorbere og udsende lys.

Kvantekortlægningsmetoden anvender et 100 femtosekund (100 kvadrilliondeler af et sekund) puls af rødt laserlys til at pope elektroner ud af jordtilstanden og ind i ledningsbåndet. Dernæst rammes elektronerne med en anden puls af infrarødt lys. Dette skubber dem, så de svinger op og ned af en energi "dal" i ledningsbåndet, lidt ligesom skateboardere i en halfpipe.

Holdet bruger elektronernes dobbeltbølge/partikelkarakter til at skabe et stående bølgemønster, der ligner en kam. De opdagede, at når toppen af ​​denne elektronkam overlapper materialets båndstruktur - dens kvantestruktur - udsender elektroner lys intensivt. Den kraftige lysudstråling sammen, med kamlinjernes smalle bredde, været med til at skabe et billede så skarpt, at forskere kalder det superopløsning.

Ved at kombinere den præcise placeringsinformation med lysets frekvens, holdet var i stand til at kortlægge båndstrukturen for 2-D halvleder wolfram diselenid. Ikke kun det, men de kunne også få en læsning af hver elektrones orbitale vinkelmoment gennem den måde lysbølgens forside snoede sig i rummet. Manipulering af elektronens orbitale vinkelmoment, også kendt som en pseudospin, er en lovende vej til lagring og behandling af kvanteinformation.

I wolfram diselenide, det orbitale vinkelmoment identificerer hvilken af ​​to forskellige "dale" en elektron indtager. De beskeder, som elektronerne sender ud, kan vise forskere ikke kun, hvilken dal elektronen befandt sig i, men også hvordan landskabet i den dal ser ud, og hvor langt fra hinanden dalene er, som er de vigtigste elementer, der er nødvendige for at designe nye halvlederbaserede kvanteenheder.

For eksempel, da teamet brugte laseren til at skubbe elektroner op ad siden af ​​den ene dal, indtil de faldt ned i den anden, elektronerne udsendte lys på det faldpunkt, også. Det lys giver spor om dalenes dybder og højden på højderyggen mellem dem. Med denne form for information, forskere kan finde ud af, hvordan materialet ville klare sig til forskellige formål.

Papiret har titlen, "Superopløselig lysbølgetomografi af elektroniske bånd i kvantematerialer."