Forskning om lys-stof-interaktion kan forbedre elektroniske og optoelektroniske enheder

Et papir udgivet i Naturkommunikation af Sufei Shi, adjunkt i kemisk og biologisk teknik på Rensselaer, øger vores forståelse af, hvordan lys interagerer med atomtynde halvledere og skaber unikke excitoniske komplekse partikler, flere elektroner, og huller stærkt bundet sammen. Disse partikler besidder en ny kvante grad af frihed, kaldet "dalspin". "Valley spin" ligner elektronens spin, som er blevet udbredt brugt til informationslagring såsom harddiske og også er en lovende kandidat til kvanteberegning.

Papiret, med titlen "Afsløring af biexciton- og trion-exciton-komplekserne i BN indkapslet WSe2, "blev offentliggjort den 13. september, 2018, udgave af Naturkommunikation . Resultaterne af denne forskning kan føre til nye applikationer inden for elektroniske og optoelektroniske enheder, såsom høstning af solenergi, nye typer lasere, og kvantefølelse.

Shis forskning fokuserer på lavdimensionelle kvantematerialer og deres kvanteeffekter, med særlig interesse for materialer med stærke lys-stof-interaktioner. Disse materialer omfatter grafen, overgangsmetaldichacogenider (TMD'er), såsom wolframdiselenid (WSe2), og topologiske isolatorer.

TMD'er repræsenterer en ny klasse af atomtynde halvledere med overlegne optiske og optoelektroniske egenskaber. Optisk excitation på de todimensionale enkeltlags TMD'er vil generere et stærkt bundet elektronhulspar kaldet en exciton, i stedet for frit bevægelige elektroner og huller som i traditionelle bulk halvledere. Dette skyldes den gigantiske bindingsenergi i monolags TMD'er, som er størrelsesordener større end konventionelle halvlederes. Som resultat, excitonen kan overleve ved stuetemperatur og kan således bruges til påføring af excitoniske enheder.

Når excitonens tæthed stiger, flere elektroner og huller parres sammen, danner fire-partikel og endda fem-partikel excitoniske komplekser. En forståelse af de mange partikel excitoniske komplekser giver ikke kun en grundlæggende forståelse af lys-stof-interaktionen i to dimensioner, det fører også til nye applikationer, da de excitoniske komplekser med mange partikler bevarer egenskaberne "dalspin" bedre end excitonen. Imidlertid, på trods af den seneste udvikling i forståelsen af ​​excitoner og trioner i TMD'er, sagde Shi, et entydigt mål for den biexciton-bindende energi er forblevet undvigende.

"Nu, for første gang, vi har afsløret den sande biexciton -tilstand, et unikt firepartikelkompleks, der reagerer på lys, "sagde Shi." Vi afslørede også karakteren af ​​den ladede biexciton, et kompleks med fem partikler. "

På Rensselaer, Shis team har udviklet en måde at bygge en ekstremt ren prøve for at afsløre denne unikke lys-stof-interaktion. Enheden blev bygget ved at stable flere atomtynde materialer sammen, herunder grafen, bornitrid (BN), og WSe2, gennem van der Waals (vdW) interaktion, repræsenterer den topmoderne fremstillingsteknik af todimensionale materialer.

Dette arbejde blev udført i samarbejde med National High Magnetic Field Laboratory i Tallahasee, Florida, og forskere ved National Institute for Materials Science i Japan, såvel som med Shengbai Zhang, Kodosky Constellation Professor i Institut for Fysik, Anvendt fysik, og astronomi ved Rensselaer, hvis arbejde spillede en kritisk rolle i udviklingen af ​​en teoretisk forståelse af biexciton.

Resultaterne af denne forskning kan potentielt føre til robust optisk fysik med mange partikler, og illustrere mulige nye applikationer baseret på 2-D halvledere, Sagde Shi. Shi har modtaget finansiering fra Air Force Office of Scientific Research. Zhang blev støttet af Department of Energy, Videnskabskontor.

Undersøgelsen blev også for nylig omtalt i Naturnanoteknologi .