Forskere lykkes med at koble to typer elektron-hul-par

Todimensionelle van der Waals-materialer har været i fokus for mange forskningsgruppers arbejde i nogen tid. Disse strukturer, der kun står nogle få atomlag tykke, fremstilles i laboratoriet ved at kombinere atomtykke lag af forskellige materialer (i en proces, der kaldes "atomic Lego"). Interaktioner mellem de stablede lag gør det muligt for heterostrukturerne at udvise egenskaber, som de enkelte bestanddele mangler.

To-lags molybdændisulfid er et sådant van der Waals-materiale, hvor elektroner kan exciteres ved hjælp af en passende eksperimentel opsætning. Disse negativt ladede partikler forlader derefter deres position i valensbåndet, efterlader et positivt ladet hul og går ind i ledningsbåndet. I betragtning af de forskellige ladninger af elektroner og huller, tiltrækkes de to af hinanden og danner det, der er kendt som en kvasipartikel. Sidstnævnte omtales også som et elektron-hul-par, eller exciton, og kan bevæge sig frit inden i materialet.

I to-lags molybdændisulfid frembringer excitation med lys to forskellige typer elektron-hul-par:intralagspar, hvor elektronen og hullet er lokaliseret i det samme lag af materialet, og mellemlagspar, hvis hul og elektron er placeret i forskellige lag og er derfor rumligt adskilte fra hinanden.

Disse to typer elektron-hul-par har forskellige egenskaber:Intralagspar interagerer stærkt med lys - med andre ord lyser de meget stærkt. På den anden side er interlayer-excitoner meget svagere, men kan skiftes til forskellige energier og giver derfor forskere mulighed for at justere den absorberede bølgelængde. I modsætning til intralag excitoner udviser interlayer excitoner også meget stærke, ikke-lineære interaktioner med hinanden – og disse interaktioner spiller en væsentlig rolle i mange af deres potentielle anvendelser.

Sammenlægning af ejendomme

Nu har forskerne fra gruppen ledet af professor Richard Warburton fra Institut for Fysik og Swiss Nanoscience Institute (SNI) fra University of Basel koblet disse to typer elektron-hul-par ved at bringe de to til lignende energier. Denne konvergens er kun mulig takket være justerbarheden af ​​mellemlags excitoner, og den resulterende kobling får egenskaberne af de to typer elektron-hul-par til at smelte sammen. Forskerne kan derfor skræddersy fusionerede partikler, der ikke kun er meget lyse, men også interagerer meget stærkt med hinanden.

"Dette giver os mulighed for at kombinere de nyttige egenskaber ved begge typer elektron-hul-par," forklarer Lukas Sponfeldner, en ph.d.-studerende ved SNI Ph.D. Skole og første forfatter af papiret. "Disse fusionerede egenskaber kunne bruges til at producere en ny kilde til individuelle fotoner, som er et nøgleelement i kvantekommunikation."

Kompatibel med klassiske modeller

I papiret, som blev offentliggjort i Physical Review Letters , viser forskerne også, at dette komplekse system af elektron-hul-par kan simuleres ved hjælp af klassiske modeller inden for mekanik eller elektronik.

Specifikt kan elektron-hul-par meget effektivt beskrives som oscillerende masser eller kredsløb. "Disse simple og generelle analogier hjælper os med at få en bedre forståelse af de grundlæggende egenskaber af koblede partikler, ikke kun i molybdændisulfid, men også i mange andre materialesystemer og sammenhænge," forklarer professor Richard Warburton. + Udforsk yderligere

Et meget lysabsorberende og justerbart materiale