Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har kommit på ett sätt att manipulera volframdiselenid (WSe2) – ett lovande tvådimensionellt material – för att ytterligare låsa upp dess potential för att möjliggöra snabbare, effektivare datoranvändning, och till och med bearbetning och lagring av kvantinformation. Deras resultat publicerades idag i Naturkommunikation .

Över hela jorden, forskare har varit starkt fokuserade på en klass av tvådimensionella, atomärt tunna halvledarmaterial kända som monolager övergångsmetalldikalkogenider. Dessa atomärt tunna halvledarmaterial – mindre än 1 nm tjocka – är attraktiva eftersom industrin försöker göra enheter mindre och mer energieffektiva.

"Det är ett helt nytt paradigm, sa Sufei Shi, biträdande professor i kemi- och biologisk teknik vid Rensselaer och motsvarande författare på tidningen. "Fördelarna kan vara enorma."

Shi och hans forskargrupp, i samarbete med personal från renrumsanläggningarna inom Center for Materials, Enheter, och integrerade system hos Rensselaer, har utvecklat en metod för att isolera dessa tunna lager av WSe2 från kristaller så att de kan stapla dem ovanpå andra atomärt tunna material som bornitrid och grafen.

När WSe2-skiktet är inklämt mellan två bornitridflingor och interagerar med ljus, Shi sa, en unik process inträffar. Till skillnad från en traditionell halvledare, elektroner och hål binder starkt samman och bildar en laddningsneutral kvasipartikel som kallas exciton.

"Exciton är förmodligen ett av de viktigaste begreppen i interaktion mellan ljus och materia. Att förstå det som är avgörande för solenergiskörd, effektiva lysdiodenheter, och nästan allt som har att göra med de optiska egenskaperna hos halvledare, sa Shi, som också är medlem av avdelningen för el, dator, och systemteknik på Rensselaer. "Nu har vi funnit att det faktiskt kan användas för lagring och bearbetning av kvantinformation."

En av excitonens spännande egenskaper i WSe2, han sa, är en ny kvantgrad av frihet som har blivit känd som "dalsnurr" - en utökad rörelsefrihet för partiklar som har tittat på kvantberäkning. Men, Shi förklarade, excitoner har vanligtvis inte en lång livslängd, vilket gör dem opraktiska.

I en tidigare publikation i Naturkommunikation , Shi och hans team upptäckte en speciell "mörk" exciton som vanligtvis inte kan ses men som har en längre livstid. Dess utmaning är att den "mörka" excitonen saknar den "dalsnurrande" kvantgraden av frihet.

I den här senaste forskningen kom Shi och hans team på hur man kan lysa upp den "mörka" excitonen; det är, att få den "mörka" excitonen att interagera med en annan kvasipartikel känd som en fonon för att skapa en helt ny kvasipartikel som har båda egenskaperna som forskare vill ha.

"Vi hittade den söta platsen, "Sa Shi. "Vi hittade en ny kvasipartikel som har en kvantgrad av frihet och även en lång livslängd, det är därför det är så spännande. Vi har kvantegenskapen för den "ljusa" excitonen, men har också den "mörka" excitonens långa livslängd."

Teamets resultat, Shi sa, lägga grunden för framtida utveckling mot nästa generation av datorer och lagringsenheter.

På Rensselaer, Shi fick sällskap på denna publikation av postdoktor Zhipeng Li och doktorander Tianmeng Wang och Zhen Lian, allt från avdelningen för kemi- och biologisk teknik. Denna forskning gjordes också i nära samarbete med National High Magnetic Field Lab och andra forskningsinstitutioner.