Spiralerende laserimpulser kunne ændre karakteren af ​​grafen

En ny undersøgelse forudsiger, at forskere kunne bruge spiralpulser af laserlys til at ændre karakteren af ​​grafen, at omdanne det fra et metal til en isolator og give det andre ejendommelige egenskaber, der kan bruges til at kode information.

Resultaterne, udgivet 11. maj i Naturkommunikation , bane vejen for eksperimenter, der skaber og kontrollerer nye stoftilstande med denne specialiserede form for lys, med potentielle anvendelser inden for computing og andre områder.

"Det er, som om vi tager et stykke ler og forvandler det til guld, og når laserpulsen forsvinder, går guldet tilbage til ler, sagde Thomas Devereaux, en professor ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og direktør for Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), et fælles SLAC/Stanford-institut.

"Men i dette tilfælde, " han sagde, "Vores simuleringer viser, at vi teoretisk kunne ændre grafenens elektroniske egenskaber, vende den frem og tilbage fra en metallisk tilstand, hvor elektroner flyder frit, til en isolerende tilstand. I digitale termer er det som at vende mellem nul og én, tændt og slukket, Ja og nej; det kan bruges til at indkode information i en computerhukommelse, for eksempel. Det, der gør dette cool og interessant, er, at man kunne lave elektroniske kontakter med lys i stedet for elektroner."

Devereaux ledede undersøgelsen med Michael Sentef, som påbegyndte arbejdet som postdoc-forsker ved SLAC og nu er på Max Planck Instituttet for materiens struktur og dynamik i Tyskland.

Tweaking et vidundermateriale

Grafen er en ren form for kulstof kun et atom tykt, med sine atomer arrangeret i et bikagemønster. Hyldet som et vidundermateriale siden dets opdagelse for 12 år siden, det er fleksibelt, næsten gennemsigtig, en fremragende leder af varme og elektricitet og et af de stærkeste materialer, man kender. Men trods mange forsøg, videnskabsmænd har ikke fundet en måde at omdanne det til en halvleder - materialet i hjertet af mikroelektronik.

En tidligere undersøgelse viste, at det kunne være muligt at tage et skridt i den retning ved at ramme et materiale med cirkulært polariseret lys - lys, der spiraler enten med eller mod uret, mens det bevæger sig, en egenskab, der også kan beskrives som højre- eller venstrehåndethed. Dette ville skabe et "bandgab, "en række energier, som elektroner ikke kan optage, hvilket er et af kendetegnene for en halvleder.

I SIMES-undersøgelsen, teoretikere brugte DOE's National Energy Research Scientific Computing Center ved Lawrence Berkeley National Laboratory til at udføre storstilede simuleringer af et eksperiment, hvor grafen rammes med cirkulært polariserede pulser på et par milliontedele af en milliardtedel af en sekund lang.

At komme så tæt på virkeligheden som muligt

"Tidligere undersøgelser var baseret på analytiske beregninger og på idealiserede situationer, sagde Martin Claassen. en Stanford-kandidatstuderende i Devereauxs gruppe, som ydede vigtige bidrag til undersøgelsen. "Denne prøvede at simulere, hvad der sker under så tæt på virkelige eksperimentelle forhold, som du kan komme, helt ned til laserimpulsernes form. At lave en sådan simulering kan fortælle dig, hvilke typer eksperimenter der er mulige, og identificere områder, hvor du kan finde de mest interessante ændringer i disse eksperimenter."

Simuleringerne viser, at laserlysets håndhævelse ville interagere med en let håndhævelse i grafenen, som ikke er helt ensartet. Denne interaktion fører til interessante og uventede egenskaber, sagde SLAC personale videnskabsmand og studie medforfatter Brian Moritz. Det producerer ikke kun et bandgab, men det inducerer også en kvantetilstand, hvor grafen har et såkaldt "Chern-tal" på enten en eller nul, som stammer fra et fænomen kendt som Berry curvature og tilbyder en anden tænd/sluk-tilstand, som videnskabsmænd muligvis kan udnytte.

Indsigt rækker ud over grafen

Selvom denne undersøgelse ikke umiddelbart åbner måder at fremstille elektroniske enheder, det giver forskerne grundlæggende indsigt, der fremmer videnskaben i den retning. Resultaterne er også relevante for materialer kaldet dichalcogenider (udtales dye-cal-CAW-gin-eyeds), som også er todimensionelle ark af atomer arrangeret i en bikagestruktur.

Dichalcogenider er i fokus for intens forskning på SIMES og rundt om i verden på grund af deres potentiale til at skabe "valleytronic" enheder. I valleytronics, elektroner bevæger sig gennem en todimensionel halvleder som en bølge med to energidale, hvis karakteristika kan bruges til at indkode information. Mulige anvendelser omfatter lysdetektorer, lavenergi computerlogik og datalagringschips og kvanteberegning. Ud over arbejdet med grafen, medlemmer af forskerholdet har også simuleret eksperimenter, der involverer lysets interaktion med dicalcogenider.

"Ultimativt, " sagde Moritz, "Vi forsøger at forstå, hvordan interaktion med lys kan ændre et materiales karakter og egenskaber for at skabe noget, der er både nyt og interessant fra et teknologisk synspunkt."