Forskere finder innovative måder at opbevare og behandle information på ved at opretholde dalens polarisering ved stuetemperatur

Forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN), et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Brookhaven National Laboratory, og Northrop Grumman, en multinational luftfarts- og forsvarsteknologivirksomhed, har fundet en måde at opretholde dalens polarisering på. ved stuetemperatur under anvendelse af nye materialer og teknikker.

Denne opdagelse kan føre til enheder, der lagrer og behandler information på nye måder, uden at det er nødvendigt at opbevare dem ved ultralave temperaturer. Deres forskning blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

En af de veje, der undersøges for at opnå disse enheder, er et relativt nyt felt kaldet "valleytronics". Et materiales elektroniske båndstruktur - intervallet af energiniveauer i hvert atoms elektronkonfigurationer - kan dykke op eller ned. Disse toppe og lavninger er kendt som "dale". Nogle materialer har flere dale med samme energi. En elektron i et system som dette kan optage enhver af disse dale, hvilket præsenterer en unik måde at lagre og behandle information baseret på, hvilken dal elektronen optager.

En udfordring har imidlertid været indsatsen og udgifterne til at opretholde de lave temperaturer, der er nødvendige for at holde dalens polarisering stabil. Uden denne stabilitet ville enheder begynde at miste information. For at gøre en teknologi som denne mulig til praktiske, overkommelige applikationer, skal eksperter finde en måde at omgå denne begrænsning.

Udforske 2D-landskaber for de perfekte dale

Overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) er interessante, lagdelte materialer, der på deres tyndeste kun kan være få atomer tykke. Hvert lag i materialet består af en todimensional (2D) plade af overgangsmetalatomer, der er klemt mellem kalkogenatomer. Mens metallet og chalcogenet er stærkt bundet af kovalente bindinger i et lag, er tilstødende lag kun svagt bundet af van der Waals interaktioner. De svage bindinger, der holder disse lag sammen, gør det muligt for TMD'er at blive eksfolieret ned til et monolag, der kun er et "molekyle" tykt. Disse omtales ofte som 2D-materialer.

Holdet hos CFN syntetiserede enkeltkrystaller af chirale blyhalogenidperovskitter (R/S-NEAPbI₃ ). Kiralitet beskriver et sæt objekter, som molekyler, der er et spejlbillede af hinanden, men som ikke kan overlejres. Det er afledt af det græske ord for "hænder", et perfekt eksempel på chiralitet. De to former er identiske, men hvis du lægger den ene hånd oven på den anden, vil de ikke flugte. Denne asymmetri er vigtig for at kontrollere dalens polarisering.

Flager af dette materiale, omkring 500 nanometer tykke eller fem tusindedele af tykkelsen af ​​et menneskehår, blev lagt på et monolag af molybdændisulfid (MoS₂ ) TMD til at skabe, hvad der er kendt som en heterostruktur. Ved at kombinere forskellige 2D-materialer med egenskaber, der påvirker ladningsoverførslen ved grænsefladen mellem de to materialer, åbner disse heterostrukturer en verden af ​​muligheder.

Efter at have skabt og karakteriseret denne heterostruktur, var teamet ivrige efter at se, hvordan det opførte sig.

En grad af frihed

"TMD'er har to dale med den samme energi," forklarede Shreetu Shrestha, en postdoktoral forskningsmedarbejder ved CFN og forfatteren af ​​dette papir. "En elektron kan være i den ene eller den anden dal, hvilket giver den en ekstra grad af frihed. Information kan derefter lagres baseret på, hvilken dal en elektron optager."

For at få et bedre billede af materialets adfærd, udnyttede holdet værktøjer på CFN's Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy-facilitet. Forskere brugte en lineært polariseret laser til at excitere den heterostruktur, de fremstillede, og målte derefter lyset, der blev udsendt fra molybdændisulfid TMD ved hjælp af et konfokalt mikroskop. De udførte den samme proces med en TMD, der ikke havde tilføjet det chirale blyhalogenid-perovskitlag.

Under disse avancerede eksperimenter bemærkede forskerne noget interessant ved den måde, lyset blev udsendt på. Heterostrukturen havde en lavere emission end den bare TMD. Forskerne tilskrev denne adfærd til ladningen overført fra TMD til perovskitten i heterostrukturen. Ved hjælp af ultrahurtig spektroskopi fandt forskerne ud af, at ladningen overføres meget hurtigt - kun nogle få billioner af et sekund.

Holdet fandt også ud af, at intensiteten af ​​de venstre og højre cirkulært polariserede komponenter af det udsendte lys afhænger af den anvendte chirale perovskit. Perovskittens chirale natur virkede som et filter for elektroner med forskelligt spin. Afhængigt af den chirale perovskits håndhed, blev elektroner, der spinder enten op eller ned, fortrinsvis overført fra den ene dal frem for elektroner med det modsatte spin i den anden dal. Dette fænomen ville sætte forskere i stand til selektivt at befolke dale og bruge deres besættelse på samme måde som nuværende transistorer på computere gemmer 1'erne og 0'erne af binære bits.

"Et vigtigt punkt at fremhæve i dette eksperiment er, at disse resultater blev realiseret ved stuetemperatur, hvilket er der, hvor hele feltet skal bevæge sig," sagde Mircea Cotlet, en materialeforsker ved Brookhaven Lab og projektets hovedforsker. "At holde hardware ved de lave temperaturer, der blev brugt, er så meget mere komplekst og dyrt. Det er opmuntrende at se den slags materialeegenskaber ved stuetemperatur."

Mens forskning i valleytronics stadig er på et tidligt stadium, har forskere allerede tænkt over mulige anvendelser. Denne teknologi kan forbedre eksisterende enheder på overraskende måder og udvide de klassiske computeres muligheder, men den kan også være en komponent i fremtidens hardware.

"Dette ville hjælpe med at gøre klassisk databehandling mere effektiv," sagde Shrestha, "men denne teknologi kunne også udnyttes til kvanteinformationsvidenskab, som inkluderer kvantedatabehandling eller endda kvantesansning. Disse atomisk tynde materialer har unikke kvanteegenskaber, hvilket vi burde være kunne drage fordel af."

Fremme samarbejde og innovation

CFN-brugere og samarbejdspartnere kommer fra en bred vifte af felter inden for den akademiske verden, forskning og industri. Dette eksperiment involverede bidrag fra en mangeårig samarbejdspartner fra den amerikanske globale rumfarts- og forsvarsteknologivirksomhed Northrop Grumman. I 2021 tildelte DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) CFN med finansiering til at samarbejde med Northrop Grumman gennem programmet Technologist in Residence (TIR). TIR-programmet parrer højtstående teknisk personale fra nationale laboratorier og industri til at udføre forskning og udvikling. Programmer som dette styrker de nationale lab-industri-relationer, mens de fremmer innovation inden for amerikansk fremstilling og fremmer økonomisk vækst og energisikkerhed.

"Vores samarbejde med Northrop Grumman og Don DiMarzio går tilbage til 2015," sagde Cotlet. "Vi har en fælles interesse i 2D-materialer, især hvordan de vil hjælpe med at skabe den næste generation af computere. Det er opmuntrende at have så mange forskellige menneskers ekspertise her under ét tag. Vi er en brugerfacilitet med adgang til en række høje -ende instrumenter og teknikker, som giver os mulighed for at sætte al denne information sammen."

Dette arbejde gjorde det også muligt for Shrestha og Cotlet at udvide den fortsatte forskning, som de begge har lavet om TMD'er og ladningsoverførsel.

"Jeg havde arbejdet med perovskites under min ph.d.-forskning og min første postdoktorstilling," sagde Shrestha, "så vi var i stand til at kombinere min ekspertise på det område med Mirceas ekspertise i TMD'er og de optiske instrumenter, vi har i CFN's Advanced Optical Spektroskopi- og mikroskopifacilitet for at opdage noget lovende Jeg var også begejstret for at arbejde sammen med Suji Park og Xiao Tong fra CFN og Mingxing Li, en videnskabsmand, der tidligere var hos CFN og nu er hos Innovare.

"Denne form for forståelse ville ikke være mulig uden en kollektiv indsats og adgang til alle disse avancerede faciliteter under et enkelt tag. Jeg er spændt på at se, hvor dette arbejde fører hen og ser frem til at bidrage med mere indsigt til CFN's 2D-materialer program."

Flere oplysninger: Shreetu Shrestha et al., Rumtemperaturdalpolarisering via spinselektiv ladningsoverførsel, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Brookhaven National Laboratory