Forskare vid University of Chicago och US Department of Energy's Argonne National Laboratory har utvecklat en ny metod för att mäta hur fotoströmmar flödar i ett 2-D-material-ett resultat som kan få konsekvenser för utveckling av kvantsensorer och nästa generations elektronik.

Genom att använda kvantsensorer för att visualisera magnetfältet i extremt tunn molybdendisulfid (MoS ₂ ) - ett material som bara är tre atomer tjockt - teamet upptäckte hur fotoströmmar (elektriska strömmar inducerade av ljus) flödade i materialet - i det här fallet, förvånande, i en virvel runt lasern. Denna ultrakänsliga metod för att mäta sådana strömmar i ett tvådimensionellt material, som är ett ämne med en tjocklek på några nanometer eller mindre, kommer att hjälpa forskare att bättre förstå materialet i hopp om att så småningom använda det för att skapa flexibel elektronik och solceller. Resultaten publicerades den 6 januari i tidningen Fysisk granskning X .

"Möjligheten att observera elektroniskt beteende som är osynligt för traditionella mätningar öppnar nya vägar för vetenskapliga studier, och hjälper oss i slutändan att designa effektiva kvanttekniker, "sade huvudutredaren David Awschalom, Liew familjeprofessor i molekylär teknik, senior forskare vid Argonne National Laboratory, och chef för Chicago Quantum Exchange. "Denna känsliga mätteknik gör att vi kan utforska fenomen i atomskala och utveckla nya enheter för kvantavkänning och kommunikation.

Mätströmmar i extremt tunna material

För att göra mätningen, Awschalom och laget placerade MoS ₂ på ett kvävevakanscenter, som är en defekt i en diamant där en kväveatom sitter bredvid en ledig plats i diamantens galler. Dessa fläckar kan användas för att studera elektroniska och nukleära spinnfenomen.

Teamet lyste sedan en röd laser på materialet för att se om de kunde upptäcka några tillfälliga magnetiska störningar (som de antog att lasern kan orsaka). Men i stället för magnetiska störningar, de upptäckte starka fotoströmmar, vilket kan uppstå när ljuset lyser på ett material. Dessa fotoströmmar producerar magnetfält när de flödar. Fotoströmmar är grunden bakom tekniken i digitalkameror, solceller, och fiberoptiska nätverk.

Forskarna blev förvånade över att upptäcka fotoströmmarna som reser i en virvel runt lasern - en form som skulle vara omöjlig att upptäcka med andra tekniker.

Traditionella metoder för att mäta hur fotoströmmar flödar genom MoS ₂ är svåra att utföra och är ofta felaktiga. Att förstå detta fenomen är viktigt för att utveckla potentiellt flexibel och transparent elektronik från MoS ₂ och andra 2-D-material.

"Vi är mycket lyckligare att vi hittade fotoströmmar istället för de magnetiska störningar vi letade efter, "sa Paul Jerger, en doktorand i Awschaloms UChicago -laboratorium och vid Argonne, som genomförde forskningen med tidigare postdoktor Brian Zhou, som nu är på Boston College. "Att förstå fotoströmmar hjälper oss att bättre förstå de elektriska egenskaperna hos material som detta, med hopp om att använda dem för elektronik som digitalkameror eller solceller. "

Skapa mer kompakta kvantanordningar

Fyndet kan bana väg för bättre experimentella inställningar i labbet, där kväve-vakanscentra används för att utföra kvantoperationer. Det kommer också att vara användbart för att förstå hur fotoströmmar genereras och sprids, vilket kan göra det möjligt för forskare att använda tunna material för digitalkameror, solceller, eller till och med on-demand magnetfält som inte kräver några elektriska ledningar.

Därefter hoppas teamet kunna anpassa processen för att mäta fotoströmmar vid rumstemperatur, och att försöka tillämpa denna teknik för att mäta fotoströmmar i andra tunna material, som grafen.

"När vi syntetiserar kvantmaterial av högsta kvalitet, vi vill helst mäta dem utan att göra störande elektriska anslutningar, "sa Jiwoong Park, professor i kemi vid UChicago och gemensam utnämnd på Argonne, vars grupp skapade MoS ₂ används i studien. "Denna nya teknik gör att vi kan göra det, banar väg för att utveckla nya kvantmaterial i processer i industriell skala. "