Når halvledere hænger sammen, materialer går kvante

Et team af forskere under ledelse af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet en enkel metode, der kan forvandle almindelige halvledende materialer til kvantemaskiner - supertynde enheder præget af ekstraordinær elektronisk adfærd. Et sådant fremskridt kan bidrage til at revolutionere en række industrier, der sigter mod energieffektive elektroniske systemer-og udgøre en platform for eksotisk ny fysik.

Undersøgelsen, der beskriver metoden, som stabler 2-D lag af wolframdisulfid og wolframdiselenid sammen for at skabe et indviklet mønstret materiale, eller supergitter, blev for nylig offentliggjort online i tidsskriftet Natur .

"Dette er en fantastisk opdagelse, fordi vi ikke betragtede disse halvledende materialer som stærkt interagerende, "sagde Feng Wang, en kondenseret fysiker med Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i fysik ved UC Berkeley. "Nu har dette arbejde bragt disse tilsyneladende almindelige halvledere ind i kvantematerialerummet."

To-dimensionelle (2-D) materialer, som kun er et atom tykt, er som nanoserede byggesten, der kan stables vilkårligt for at danne små enheder. Når gitterene i to 2-D-materialer er ens og veljusterede, der kan dannes et gentaget mønster kaldet et moiré -supergitter.

I det sidste årti har forskere har undersøgt måder at kombinere forskellige 2-D materialer, starter ofte med grafen - et materiale kendt for sin evne til effektivt at lede varme og elektricitet. Ud af dette arbejde, andre forskere havde opdaget, at moiré -supergitter dannet med grafen udviser eksotisk fysik som superledningsevne, når lagene er justeret i lige den rigtige vinkel.

Den nye undersøgelse, ledet af Wang, brugte 2-D prøver af halvledende materialer-wolframdisulfid og wolframdiselenid-for at vise, at vridningsvinklen mellem lagene giver en "afstemningsknap" til at omdanne et 2-D halvledende system til et eksotisk kvantemateriale med stærkt interagerende elektroner.

På vej ind i en ny fysik

Medforfattere Chenhao Jin, en postdoktor, og Emma Regan, en kandidatstuderende forsker, som begge arbejder under Wang i Ultrafast Nano-Optics Group på UC Berkeley, fremstillede wolframdisulfid- og wolframdiselenidprøverne ved hjælp af en polymerbaseret teknik til at opsamle og overføre flager af materialerne, hver måler kun snesevis af mikrometer i diameter, ind i en stak.

De havde fremstillet lignende prøver af materialerne til en tidligere undersøgelse, men med de to lag stablet i ingen særlig vinkel. Når de målte den optiske absorption af en ny wolframdisulfid- og wolframdiselenidprøve til den aktuelle undersøgelse, de blev fuldstændig overrasket.

Absorptionen af ​​synligt lys i en wolframdisulfid/wolframdiselenidenhed er størst, når lyset har den samme energi som systemets exciton, en kvasipartikel, der består af en elektron bundet til et hul, der er almindeligt i 2-D halvledere. (I fysik, et hul er en i øjeblikket ledig tilstand, som en elektron kan indtage.)

For lys i det energiområde, som forskerne overvejede, de forventede at se et højdepunkt i det signal, der svarede til energien i en exciton.

I stedet, de fandt ud af, at den oprindelige top, som de forventede at se, havde delt sig i tre forskellige toppe, der repræsenterede tre forskellige exciton -tilstande.

Hvad kunne have øget antallet af exciton -tilstande i wolframdisulfid/wolfram -enheden fra en til tre? Var det tilføjelsen af ​​en moiré supergitter?

At finde ud af, deres samarbejdspartnere Aiming Yan og Alex Zettl brugte et transmissionselektronmikroskop (TEM) på Berkeley Labs Molecular Foundry, en videnskabelig forskningsfacilitet i nanoskala, at tage atomopløsningsbilleder af wolframdisulfid/wolframdiselenidenheden for at kontrollere, hvordan materialernes gitter var justeret.

TEM -billederne bekræftede, hvad de hele tiden havde mistanke om:Materialerne havde faktisk dannet en moiré -supergitter. "Vi så smukke, gentagelse af mønstre over hele prøven, "sagde Regan." Efter at have sammenlignet denne eksperimentelle observation med en teoretisk model, vi fandt ud af, at moiré -mønsteret periodisk indfører en stor potentiel energi over enheden og derfor kunne introducere eksotiske kvantefænomener. "

Forskerne planlægger derefter at måle, hvordan dette nye kvantesystem kan anvendes på optoelektronik, som vedrører brugen af ​​lys i elektronik; valleytronics, et felt, der kunne udvide grænserne for Moores lov ved at miniaturisere elektroniske komponenter; og superledning, hvilket ville tillade elektroner at flyde i enheder uden praktisk talt ingen modstand.