Gode ​​vibrationer:Lavenergilasere inducerer atomisk excitation i halvledermaterialer

Halvledere er en hjørnesten i næste generations teknologi, så en ny metode til at excitere atomer i halvledermaterialer vil sandsynligvis også begejstre en bred vifte af forskere og industrier.

Ved at udnytte intense og bredbånds ultrahurtige terahertz-impulser har forskere fra Yokohama National University og deres kolleger ved California Institute of Technology demonstreret atomisk excitation i et todimensionelt halvledermateriale, hvilket fremmer udviklingen af ​​elektroniske enheder.

Deres papir blev offentliggjort den 19. marts og optræder som en Editor's Pick i tidsskriftet Applied Physics Letters .

Todimensionelle (2D) materialer, eller arklignende nanomaterialer, er lovende platforme for fremtidige halvlederapplikationer på grund af deres unikke elektroniske egenskaber. Overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er), en fremtrædende gruppe af 2D-materialer, består af lag af overgangsmetalatomer, der er klemt mellem lag af chalcogenatomer.

Arrangeret i en gitterstruktur kan disse atomer vibrere eller oscillere omkring deres ligevægtspositioner – denne kollektive excitation er kendt som en sammenhængende fonon og spiller en afgørende rolle i at bestemme og kontrollere materialeegenskaber.

Traditionelt induceres kohærente fononer af ultrakorte pulserende lasere i de synlige og nær-infrarøde områder. Metoder, der bruger andre lyskilder, er fortsat begrænsede.

"Vores undersøgelse behandler det grundlæggende spørgsmål om, hvordan kohærente fononer induceres af ultrahurtige terahertz-frekvenslasere - eller lavenergifotoner - i TMD-materialer," sagde Satoshi Kusaba, en assisterende professor ved Graduate School of Engineering Science ved Yokohama National University og først. forfatter til undersøgelsen.

Terahertz-stråling refererer til elektromagnetiske bølger med frekvenser i terahertz-området mellem mikrobølge- og infrarøde frekvenser. Forskerholdet forberedte ultrahurtige bredbånds-terahertz-impulser for at inducere kohærent fonondynamik i tynde film af en TMD kaldet WSe₂ .

Et præcist og følsomt setup blev arrangeret til at detektere optisk anisotropi, med andre ord hvordan lys opfører sig, når det passerer gennem materialet. Forskerne undersøgte ændringerne i orienteringen af ​​det elektriske felt af ultrakorte laserimpulser, når de interagerer med materialet; disse ændringer er kendt som polarisationsrotation.

Ved omhyggeligt at observere den lille inducerede optiske anisotropi lykkedes det for teamet at detektere fononsignalerne induceret af terahertz-impulserne.

"Det vigtigste fund fra vores undersøgelse er, at terahertz-excitation kan inducere kohærente fononer i TMD'er gennem en særskilt sum-frekvens excitationsproces," sagde Haw-Wei Lin, en Ph.D. kandidat ved California Institute of Technology på forskningstidspunktet og medførsteforfatter til denne undersøgelse.

"Denne mekanisme, som er fundamentalt forskellig fra resonans- og lineære absorptionsprocesser, involverer den kombinerede energi af to terahertz-fotoner, der matcher den fra fonontilstanden."

Da symmetrien af ​​de fonontilstande, der kan exciteres via denne sum-frekvensproces, er fuldstændig forskellig fra den for den mere typiske resonans-lineære proces, er excitationsprocessen, der er blevet brugt i denne undersøgelse, vigtig for fuldt ud at kontrollere atombevægelser i materialer. Implikationerne af undersøgelsens resultater strækker sig ud over grundlæggende forskning og lover en række anvendelser i den virkelige verden.

"Med sumfrekvensexcitationsprocessen kan vi sammenhængende kontrollere todimensionelle atompositioner ved hjælp af terahertz-excitation," sagde Kusaba. "Dette kunne åbne døren for styring af de elektroniske tilstande af TMD'er, hvilket er lovende for udviklingen af ​​valleytronics og elektroniske enheder, der bruger TMD'er til lavt strømforbrug, højhastighedsbehandling og specialiserede lyskilder."

Andre bidragydere omfatter Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama og Jun Takada fra Yokohama National University; Geoffrey A. Blake fra California Institute of Technology.

Flere oplysninger: Satoshi Kusaba et al., Terahertz sum-frekvens excitation af kohærente optiske fononer i den todimensionelle halvleder WSe2, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0191558

Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve

Leveret af Yokohama National University