Efter att ha utvecklat en metod för att kontrollera excitonflöden vid rumstemperatur, EPFL-forskare har upptäckt nya egenskaper hos dessa kvasipartiklar som kan leda till mer energieffektiva elektroniska enheter.

De var de första att kontrollera excitonflöden vid rumstemperatur. Och nu, teamet av forskare från EPFL:s Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) har tagit sin teknologi ett steg längre. De har hittat ett sätt att kontrollera några av excitonernas egenskaper och ändra polariseringen av ljuset de genererar. Detta kan leda till en ny generation av elektroniska enheter med transistorer som genomgår mindre energiförluster och värmeavledning. Forskarnas upptäckt ingår i ett nytt forskningsfält kallat valleytronics och har just publicerats i Nature Photonics .

Excitoner skapas när en elektron absorberar ljus och förflyttar sig till en högre energinivå, eller "energiband" som de kallas inom fast kvantfysik. Denna exciterade elektron lämnar efter sig ett "elektronhål" i sitt tidigare energiband. Och eftersom elektronen har en negativ laddning och hålet en positiv laddning, de två är sammanbundna av en elektrostatisk kraft som kallas en Coulomb-kraft. Det är detta elektron-elektronhålspar som kallas en exciton.

Oöverträffade kvantegenskaper

Excitoner finns endast i halvledande och isolerande material. Deras extraordinära egenskaper kan lätt nås i 2D-material, som är material vars grundstruktur bara är några få atomer tjocka. De vanligaste exemplen på sådana material är kol och molybdenit.

När sådana 2D-material kombineras, de uppvisar ofta kvantegenskaper som inget material besitter på egen hand. EPFL-forskarna kombinerade således volframdiselenid (WSe ₂ ) med molybdendiselenid (MoSe ₂ ) för att avslöja nya egenskaper med en rad möjliga högteknologiska tillämpningar. Genom att använda en laser för att generera ljusstrålar med cirkulär polarisation, och ändra positionerna för de två 2D-materialen något för att skapa ett moarémönster, de kunde använda excitoner för att ändra och reglera polariseringen, ljusets våglängd och intensitet.

Från en dal till nästa

Forskarna uppnådde detta genom att manipulera en av excitonernas egenskaper:deras "dal, " som är relaterat till ytterligheterna av energier hos elektronen och hålet. Dessa dalar – som är där namnet valleytronics kommer ifrån – kan utnyttjas för att koda och bearbeta information på en nanoskopisk nivå.

"Att länka flera enheter som innehåller denna teknik skulle ge oss ett nytt sätt att behandla data, säger Andras Kis, som leder LANES. "Genom att ändra polariseringen av ljus i en given enhet, vi kan sedan välja en specifik dal i en andra enhet som är ansluten till den. Det liknar att byta från 0 till 1 eller 1 till 0, vilket är den grundläggande binära logiken som används vid datoranvändning."