En ny universel lysbaseret teknik til at kontrollere dalpolarisering i bulkmaterialer
Elektroner inde i faste materialer kan kun tage visse værdier af energi. De tilladte energiområder kaldes "bånd", og mellemrummet mellem dem, de forbudte energier, er kendt som "båndgab". Begge udgør tilsammen "båndstrukturen" af materialet, hvilket er en unik egenskab for hvert specifikt materiale.
Når fysikere plotter båndstrukturen, ser de normalt, at de resulterende kurver ligner bjerge og dale. Faktisk kaldes den tekniske betegnelse for et lokalt energimaksimum eller -minimum i båndene en "dal", og feltet, der studerer og udnytter, hvordan elektroner i materialet skifter fra den ene dal til den anden, er opfundet som "daltronik."
I standard halvlederelektronik er elektronernes elektriske ladning den mest brugte egenskab, der udnyttes til at kode og manipulere information. Men disse partikler har andre egenskaber, der også kunne bruges til samme formål, såsom dalen, de befinder sig i. I det seneste årti har hovedformålet med valleytronics været at nå kontroldalens befolkning (også kendt som dalpolarisering) i materialer.
En sådan præstation kunne bruges til at skabe klassiske og kvanteporte og bits, noget der virkelig kunne drive udviklingen af computere og kvanteinformationsbehandling.
Tidligere forsøg viste flere ulemper. For eksempel skulle lyset, der blev brugt til at manipulere og ændre dalpolarisering, være resonant; det vil sige, at energien af dets fotoner (de partikler, der udgør lys) skulle svare nøjagtigt til energien i båndgabet i det pågældende materiale.
Enhver lille afvigelse reducerede effektiviteten af metoden, så forudsat at hvert materiale har sine egne båndgab, virkede generalisering af den foreslåede mekanisme noget uden for rækkevidde. Desuden var denne proces kun blevet opnået for monolagstrukturer (2D-materialer, kun et atom-tykke).
Dette krav hindrede dets praktiske implementering, da monolag normalt er begrænset i størrelse og kvalitet og vanskelige at konstruere.
Nu er ICFO-forskerne Igor Tyulnev, Julita Poborska og Dr. Lenard Vamos, ledet af prof. ICREA Jens Biegert, i samarbejde med forskere fra Max-Born-Institute, Max-Planck Institute for the Science of Light og Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid har fundet en ny universel metode til at inducere dalpolarisering i centrosymmetriske bulkmaterialer.
Opdagelsen, offentliggjort i Nature , låser op for muligheden for at kontrollere og manipulere dalens befolkning uden at være begrænset af det specifikke valgte materiale.
Samtidig kan metoden bruges til at opnå en mere detaljeret karakterisering af krystaller og 2D-materialer.
Dalpolarisering i bulkmaterialer er mulig
Eventyret begyndte med den eksperimentelle gruppe ledet af ICREA prof. ved ICFO Jens Biegert, som oprindeligt ønskede at eksperimentelt producere dalpolarisering ved hjælp af deres særlige metode i 2D-materialer, efter linjerne af, hvad der var blevet teoretisk bevist i en tidligere teoretisk artikel af Álvaro Jiménez , Rui Silva og Misha Ivanov.
For at opsætte eksperimentet blev den indledende måling prøvet på bulk MoS2 (et bulkmateriale lavet af mange monolag stablet sammen) med det overraskende resultat, at de så signaturen af dalpolarisering. "Da vi begyndte at arbejde på dette projekt, fik vi at vide af vores teorisamarbejdspartnere, at det var umuligt at vise dalpolarisering i bulkmaterialer," forklarer Poborska.
Det teoretiske hold bemærker også, hvordan deres model i begyndelsen kun var egnet til enkelte 2D-lag. "Ved første øjekast så det ud til, at tilføjelse af flere lag ville hindre udvælgelsen af specifikke dale i prøven. Men efter de første eksperimentelle resultater justerede vi simuleringen til bulkmaterialer, og det validerede observationerne overraskende godt. Vi gjorde ikke engang prøv at passe til hvad som helst, det er bare sådan, det kom ud," tilføjer prof. Misha Ivanov, teoretikerlederen.
I sidste ende "viste det sig, at ja, du kan faktisk dalpolarisere bulkmaterialer, der er centralt symmetriske på grund af symmetriforholdene," konkluderer Poborska.
Som Igor Tyulnev, førsteforfatter til artiklen, forklarer, "bestod vores eksperiment i at skabe en intens lyspuls med en polarisering, der passede til denne interne struktur. Resultatet var det såkaldte "trefoil felt", hvis symmetri matchede den trekantede sub- gitter, der udgør hetero-atomare hexagonale materialer."
Dette symmetri-matchede stærke felt bryder rum- og tidssymmetrien i materialet, og endnu vigtigere, den resulterende konfiguration afhænger af trekløverfeltets orientering i forhold til materialet. Derfor, "ved blot at rotere det indfaldende lysfelt, var vi i stand til at modulere dalens polarisering," konkluderer Tyulnev, en stor præstation på området og en bekræftelse af en ny universel teknik, der kan kontrollere og manipulere elektrondalene i bulkmaterialer.
Den eksperimentelle proces
Forsøget kan forklares i tre hovedtrin:For det første syntesen af trefoil-feltet; derefter dens karakterisering; og endelig den faktiske produktion af dalpolarisering.
Forskerne understreger den utroligt høje præcision, som karakteriseringsprocessen krævede, da trefoil-feltet er lavet af ikke blot ét, men to sammenhængende kombinerede optiske felter. En af dem skulle være cirkulært polariseret i én retning, og den anden skulle være den anden harmoniske af den første stråle, polariseret med den modsatte håndhed. De lagde disse felter oven på hinanden, så den totale polarisering med tiden sporede den ønskede trefoil-form.
Tre år efter de indledende eksperimentelle forsøg er Igor Tyulnev begejstret over den seneste Nature offentliggørelse. Optræden i et så prestigefyldt tidsskrift anerkender den nye universelle metode, der, som han siger, "kan bruges ikke kun til at kontrollere egenskaberne af en lang række kemiske arter, men også til at karakterisere krystaller og 2D-materialer."
Som prof. ICREA ved ICFO Jens Biegert bemærker, "Vores metode kan være en vigtig ingrediens til at konstruere energieffektive materialer til effektiv informationslagring og hurtig omskiftning. Dette imødekommer det presserende behov for enheder med lavt energiforbrug og øget beregningshastighed. Jeg kan ikke love at det, vi har leveret, er løsningen, men det er nok en løsning på denne store udfordring."
Flere oplysninger: Jens Biegert, Valleytronics i bulk MoS2 med et topologisk optisk felt, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07156-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07156-y
Journaloplysninger: Natur
Leveret af ICFO
Varme artikler
-
Milepæl i Advanced Light Source-opgraderingsprojektet vil bringe en ny ring indhans cutaway gengivelse af Advanced Light Source dome viser layoutet af tre elektron-accelererende ringe. Et nyt godkendelsestrin i ALS Upgrade-projektet vil tillade installationen af den midterste -
Forskere afkoder termisk ledningsevne med lysSamarbejdsforskning af (fra venstre) Sriparna Bhattacharya, Prakash Parajuli og Apparao Rao er blevet offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science. Kredit:College of Science Banebrydende vidensk -
Brug neutronspredning til bedre at forstå mælkesammensætningKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Neutronspredning er en teknik, der almindeligvis bruges inden for fysik og biologi til at forstå sammensætningen af komplekse multikomponentblandinger og bruges -
Fysikere presser lys til afkøling af mikroskopisk tromle under kvantegrænsenNIST -forskere anvendte en særlig form for mikrobølge lys for at afkøle en mikroskopisk aluminiumstromle til et energiniveau under den generelt accepterede grænse, til kun en femtedel af en enkelt ene