Allt vi upplever är gjort av ljus och materia. Och interaktionen mellan de två kan ge fascinerande effekter. Till exempel, det kan resultera i bildandet av speciella kvasipartiklar, kallade polaritoner, som är en kombination av ljus och materia. Ett team vid Centrum för teoretisk fysik av komplexa system, inom Institutet för grundvetenskap (IBS), modellerat beteendet hos polaritoner i mikrohåligheter, nanostrukturer gjorda av ett halvledarmaterial inklämt mellan speciella speglar (Bragg-speglar). Publicerad i Vetenskapliga rapporter , denna forskning ger nya idéer till det framväxande valleytronics-området.

Uppstår från kopplingen av ljus (fotoner) och materia (bundet tillstånd av elektroner och hål som kallas excitoner), polaritoner har egenskaper hos var och en. De bildas när en ljusstråle med en viss frekvens studsar fram och tillbaka inuti mikrohåligheter, orsakar den snabba omvandlingen mellan ljus och materia och resulterar i polaritoner med kort livslängd. "Du kan föreställa dig dessa kvasipartiklar som vågor som du skapar i vatten, de rör sig harmoniskt tillsammans, men de varar inte särskilt länge. Den korta livslängden för polaritoner i detta system beror på fotonernas egenskaper, " förklarar herr Meng Sun, första författare till studien.

Forskare studerar polaritoner i mikrokaviteter för att förstå hur deras egenskaper kan utnyttjas för att överträffa dagens halvledarteknologier. Modern optoelektronik läser, bearbeta, och lagra information genom att kontrollera flödet av partiklar, men letar efter nya mer effektiva alternativ, andra parametrar, som de så kallade "dalarna" skulle kunna övervägas. Dalar kan visualiseras genom att plotta polaritonernas energi till deras momentum. Valleytronics syftar till att kontrollera dalarnas egenskaper i vissa material, som övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), indiumgalliumaluminiumarsenid (InGaAlAs), och grafen.

Att kunna manipulera deras egenskaper skulle leda till avstämbara dalar med två klart olika tillstånd, motsvarande till exempel 1 bit och 0 bit, som på-av-tillstånd i datorer och digital kommunikation. Ett sätt att särskilja dalar med samma energinivå är att få dalar med olika polarisation, så att elektroner (eller polaritoner) företrädesvis skulle ockupera en dal framför de andra. IBS-forskare har skapat en teoretisk modell för dalpolarisering som kan vara användbar för valleytronik.

Även om polaritoner bildas genom koppling av fotoner och excitoner, forskargruppen modellerade de två komponenterna oberoende av varandra. "Att modellera potentiella profiler av fotoner och excitoner separat är nyckeln för att hitta var de överlappar varandra, och bestäm sedan de minimala energipositionerna där dalar förekommer, " påpekar Sun.

En avgörande egenskap hos detta system är att polaritoner kan ärva vissa egenskaper, som polarisering. Dalar med olika polarisation bildas spontant när uppdelningen av de tvärgående (d.v.s. vinkelräta) elektroniska och magnetiska moderna av ljusstrålen beaktas (TE-TM-delning).

Eftersom denna teoretiska modell förutspår att dalar med motsatt polarisation kan särskiljas och trimmas, i princip, olika dalar kan selektivt exciteras av ett polariserat laserljus, leder till en möjlig tillämpning inom valleytronics.