Forskere afslører oprindelsen af ​​ultrahurtige mysteriesignaler i valleytronic-materialer

Små materialer rummer store mysterier, hvis løsninger kunne skabe næste generations elektronik. Et internationalt samarbejde ledet af forskere baseret i Japan har løst whodunit af kryptiske overtonesignaler i en analyse af molybdændiselenid, et atomisk tyndt krystalgitter med ønskværdige egenskaber, der er unikke fra sin mere omfangsrige tredimensionelle form.

De offentliggjorde deres resultater den 25. juli i Nature Communications .

Forbindelsen tilhører en familie af tilsvarende todimensionelle halvledere kaldet transitional metal dichalcogenide (TMD) monolag, som alle har elektroniske båndstrukturer indeholdende såkaldte dale. TMD-gitre er organiseret som sekskanter med den tilsvarende bølgevektor, kendt som k-rum, langs siden. Sidemidten af ​​k-mellemrummet er kendt som "M-punktet" og de seks hjørner som "K (-K)-punkter."

Dalene er dyk og stigninger af det elektroniske bånd i hjørnerne af sekskanterne, hvor energi eller informationsbærende partikler kan bevæge sig for at vippe materialet til handling. Intervalley-aktiviteterne, især i forbindelse med elektronspredning, er dog forblevet uhåndgribelige. I denne proces får fononer eller energienheder, der manifesteres som vibrationer, elektronerne til at sprede sig og overgangstilstande i intervalrummet med ultrahurtig hastighed.

Denne dalpolarisering, hvis den kan kontrolleres for at inducere eller reducere specifikke egenskaber, gør TMD'er til den mest lovende kandidat til avancerede teknologier, ifølge den medkorresponderende forfatter Soungmin Bae, postdoc-forsker i Laboratory for Materials and Structures, Tokyo Institute of Technology. Kombinationen af ​​dal og potentialet for elektronik informerer navnet på dette nichefelt:valleytronics.

"For at etablere den grundlæggende forståelse af ultrahurtig dynamik forbundet med fonon-medierede intervale spredningsprocesser, udførte vi pumpe-probe spektroskopi ved hjælp af sub-10 femtosekund - 10 kvadrilliontedel af et sekund - ultrakorte pulserende lasere og fandt interessante overtonesignaler af akustiske fononer i den optiske modulation," sagde Bae. "Signalerne var allerede velkendte i TMD'er-samfundet, men oprindelsen var uklar, så vores oprindelige spørgsmål, vi forsøgte at besvare, var, 'hvorfor observerer vi sådanne overtonesignaler?'"

Pumpe-probe spektroskopi involverer bestråling af en prøve af TMD med en ultrakort laserpuls i to dele. Pumpen er en stærk stråle, der exciterer TMD, hvilket får systemet til at oscillere, som at kaste en sten i en dam for at producere koncentriske bølger. Sonden er en svagere stråle, der sporer den tidsmæssige udvikling af de inducerede oscillationer - bølgerne af gittervibrationerne, også kendt som fononer - via ændringer i visse optiske konstanter i systemet, såsom dets mængde af absorption og refleksion.

Forskerne så adskillige signaler, visualiseret som optiske modulationer, i både lige og ulige rækkefølger af fononoscillationer fra monolaget TMD. De analyserede symmetrien af ​​fononerne og brugte beregninger af de første principper - eller supercomputerdrevne vurderinger, der beskriver den kvantemekaniske tilstand og dynamikken af ​​hver kerne og elektron i systemet, hvorfra detaljer om specifikke komponenter kan udvindes - for at afsløre, at kun det langsgående akustiske fonon ved K-punktet kunne producere det observerede signal i ulige orden, da det modulerede laserlyset asymmetrisk sammenlignet med M-punkt-fononens symmetriske refleksion, som kun producerer lige overtoner.

"K-punkts langsgående akustiske fononer er ansvarlige for ultrahurtig spredning af intervaller i monolags molybdændiselenid," sagde medkorresponderende forfatter Jun Takeda, professor ved Yokohama National University's Graduate School of Engineering Science. "Normalt kunne K-punktsfononer ikke modulere de optiske egenskaber på grund af det store misforhold mellem bølgevektoren - retningen og størrelsen - af det indfaldende lys og fononernes."

Takeda sagde, at i TMD'er tillader den høje symmetri af det todimensionelle krystalgitter imidlertid de akustiske K-punktsfononer at modulere den optiske respons og generere signaler ved flere frekvenser.

"Dette arbejde beviser vigtigheden af ​​en kombineret tilgang til ultrahurtig spektroskopi med symmetrianalyse og første-principper-beregninger til at afsløre den underliggende fysik af intervalley-spredningsprocessen i valleytroniske materialer," sagde den medkorresponderende forfatter Ikufumi Katayama, professor ved Yokohama National University's Graduate School of Ingeniørvidenskab.

"Dernæst vil vi gerne udvide disse tilgange til andre eksotiske todimensionelle materialesystemer til fremtidige elektroniske og valleytroniske applikationer og etablere måder til at manipulere de optiske og fysiske egenskaber på ultrahurtige tidsskalaer." + Udforsk yderligere

Ultrahurtig dynamik af topologisk materiale undersøgt under tryk