Karakterisering af atomare defekter i 2D-materialer for at bestemme egnethed som kvanteemittere

Udtrykket molybdændisulfid lyder måske bekendt for nogle bilister og mekanikere. Ikke så mærkeligt:​​Stoffet, opdaget af den amerikanske kemiker Alfred Sonntag i 1940'erne, bruges stadig i dag som et højtydende smøremiddel i motorer og turbiner, men også til bolte og skruer.

Dette skyldes den særlige kemiske struktur af dette faste stof, hvis individuelle materialelag let kan forskydes i forhold til hinanden. Dog molybdændisulfid (kemisk MoS₂ ) smører ikke kun godt, men det er også muligt at eksfoliere et enkelt atomlag af dette materiale eller at dyrke det syntetisk på en wafer-skala.

Den kontrollerede isolation af en MoS₂ monolag blev opnået for kun få år siden, men betragtes allerede som et materialevidenskabeligt gennembrud med et enormt teknologisk potentiale. Empa-teamet ønsker nu at arbejde med netop denne klasse af materialer.

Den lagdelte struktur af individuelle atomlag gør dette materiale interessant for fysikere på jagt efter basismaterialer til næste generations nanocomputere. MoS₂ – og dets kemiske slægtninge kaldet transition metal dichalcogenides (TMD'er) – er et af de vigtigste "stjerneskud" i en lang række todimensionelle (2D) materialer.

TMD'er er 2D-halvledere og har et direkte båndgab, men kun som et enkelt lag, hvilket gør dem særligt attraktive for ultimative miniaturiserede integrerede kredsløb eller optiske detektorer. De robuste kvantemekaniske egenskaber af 2D-materialer bliver også intensivt udforsket til brug i kvantemetrologi, kvantekryptografi og kvanteinformationsteknologi.

Men ikke kun grundmaterialet betyder noget, men i særdeleshed også evnen til at håndtere defekter derinde:Analogt med kemisk doping af "klassiske" halvledere i integrerede kredsløb eller fremmede ioner i faststoflasere, er atomare defekter "som prikken over i'et på kage," især i 2D-materialer, sagde Schuler.

Atomisk tynde kvantecomputere

Empa-forskeren ønsker at karakterisere atomare defekter i TMD'er ved hjælp af en ny type instrument og undersøge deres egnethed som såkaldte kvanteemittere. Kvanteemittere danner grænsefladen mellem to verdener:elektronspin - den kvantemekaniske analog af elektronmomentet - som er velegnet til behandling af kvanteinformation, og fotoner, dvs. lyspartikler, som kan bruges til at transmittere kvanteinformation over lange afstande uden tab. .

2D-materialer giver den store fordel, at de relevante energiskalaer er meget større end for 3D-materialer, så det forventes, at teknologien kan bruges over kryogene miljøer – ideelt set selv ved stuetemperatur. Derudover skal defekterne være placeret på overfladen af ​​2D-materialet, hvilket gør dem meget nemmere at finde og manipulere.

Men først defekterne i den todimensionelle MoS₂ lag skal detekteres, og deres elektroniske og optiske egenskaber skal undersøges præcist. Præcis betyder i dette tilfælde, at det sted, der undersøges, udforskes med en nøjagtighed på én ångstrøm. Til sammenligning:1 ångstrøm er for en meter, hvad 4 cm er for afstanden mellem Jorden og månen (400.000 km).

Og det øjebliksbillede, der bruges til at registrere den elektroniske excitation af kvanteprikken, skal være nøjagtig ned til et picosekund (ps) - 1 ps er lige så lille af en brøkdel af et sekund, som to dage sammenlignes med planeten Jordens alder (5 milliarder år) ).

Disse ultrakorte og atomisk præcise målinger giver derefter et meget detaljeret billede af, hvilke dynamiske processer der finder sted på atomskala, og hvilke faktorer der påvirker disse processer.

Et apparat lavet af to halvdele

Apparatet, som eksperimenterne skal foregå i, er allerede placeret i et rum i kælderen i Empas laboratoriebygning i Dübendorf — hvor gulvet er mest stabilt. "Vi har investeret over halvandet år i forberedelses- og udviklingsarbejde for at færdiggøre vores eksperimentelle opsætning," forklarer Bruno Schuler.

"I oktober 2022 forbandt vi de to halvdele af vores system og var i stand til at måle lysbølge-inducerede strømme for første gang. Princippet virker. En kæmpe milepæl i projektet."

De to halvdele, som Schulers team nu skal arbejde med, er på den ene side et scanning tunneling microscope (STM). En ultratynd spids bruges til at scanne prøvens atomare overflade. Forskerne vil placere spidsen på et defekt sted, dvs. en ledig stilling eller et "fremmed" atom i strukturen.

Så kommer anden halvdel af systemet, som Schulers kollega Jonas Allerbeck har sat op, i spil:En 50-watt infrarød laser sender ultrakorte laserimpulser ind på en ikke-lineær lithiumniobatkrystal. Dette genererer en fasestabil elektromagnetisk puls i terahertz-frekvensområdet. Denne puls er kun en enkelt lyssvingning lang og kan opdeles med speciel optik i et par pumpe- og sondeimpulser - som begge følger hinanden med variabel forsinkelse og kan måle elektrondynamikken på en stroboskopisk måde.

En elektron 'hopper' ind på defektstedet

De to impulser sendes derefter ind i STM'en og dirigeres til sondespidsen. Den første impuls løsner en elektron fra spidsen, som "hopper" ind på defektstedet af den todimensionelle MoS₂ lag og exciterer elektroner der. "Dette kan enten være en elektrisk ladning, en spin-excitation, en gittervibration eller et elektron-hul-par, som vi skaber der," forklarer Schuler.

"Med den anden puls ser vi så et par picosekunder senere på, hvordan vores defektsted reagerede på excitationspulsen, og derved kan vi studere dekohærensprocesser og energioverførsel til substratet."

På denne måde er Schuler en af ​​de få specialister i verden, der kombinerer picosecond-short time resolution med en metode, der kan detektere individuelle atomer. Holdet gør brug af den iboende lokalisering af tilstande i 2D-materialesystemet til at holde excitationer på ét sted længe nok til at blive opdaget.

"Det ultrahurtige lysbølgescannende probemikroskop muliggør fascinerende ny indsigt i kvantemekaniske processer på atomær skala, og 2D-materialer er en unik materialeplatform til at skabe disse tilstande på en kontrolleret måde," siger Empa-forskeren.

Leveret af Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology