Arbetshastigheten för halvledare i olika elektroniska och optoelektroniska enheter är begränsad till flera gigahertz (en miljard svängningar per sekund). Detta begränsar den övre gränsen för beräkningshastigheten. Nu har forskare från MPSD och Indian Institute of Technology i Bombay förklarat hur dessa processer kan påskyndas genom användning av ljusvågor och defekta fasta material.

Ljusvågor utför flera hundra biljoner oscillationer per sekund. Därav, det är naturligt att tänka sig att använda ljussvängningar för att driva den elektroniska rörelsen. Till skillnad från konventionella tekniker, ljusvågor initierar inte bara den elektroniska rörelsen utan styr den också på dess naturliga tidskala, d.v.s. tidsskalan för attosekunden (en attosekund är en kvintiljondel av en sekund). Detta har potential att öka driftshastigheten för enheter och datorer med storleksordningar och öppnar en väg för petahertz -elektronik.

Högfrekventa ljusblixtar avges när en fast substans utsätts för intensivt ultrakort ljus. Denna process är känd som hög harmonisk generering (HHG). Det infallande ljusets elektriska fältsvängningar utlöser och styr rörelsen av elektroner i fasta ämnen, som sätter strömmen i fasta ämnen. Den inducerade strömmen har två bidrag:en från elektronernas övergångar från valensband till ledningsband och en annan på grund av elektronernas och hålens rörelse i deras respektive energiband.

I de teoretiska och experimentella studierna av processen för HHG i fasta ämnen, det antas vanligen att de fasta ämnena är defektfria. Dock, detta underliggande antagande är inte sant i praktiken. I verkliga fasta ämnen, defekter är oundvikliga på grund av deras tillväxtprocesser. De kan ha olika former såsom lediga tjänster, mellansidesannonser, eller föroreningar. För närvarande, inte mycket är känt om hur förekomsten av defekter kan modifiera HHG-processen och tillhörande elektrondynamik. Med tanke på att defektteknik har varit ryggraden i konventionell optoelektronik, det är därför avgörande att förstå defekternas roll i samband med petahertz-elektronik och spintronik.

I deras senaste teoretiska arbete som publicerades i npj Beräkningsmaterial , ett team av forskare från Indian Institute of Technology (IIT) i Bombay, Indien, och Max-Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Hamburg, Tyskland, har tagit upp en viktig saknad information mot försöket med petahertz -elektronik och spintronik:Hur påverkar de olika typerna av defekter elektronernas rörelse i fasta ämnen under HHG? För att ta upp denna fråga, ett tvådimensionellt monolager av hexagonal bornitrid (h-BN) med en ledig bor- eller kväveatom exponeras för en intensiv ljusblixt.

h-BN börjar bete sig som en donator eller en acceptor av elektroner så snart en kväve- eller en boratom avlägsnas. Detta resulterar i kvalitativt olika elektroniska strukturer och de inducerade vakansdefekterna blir spinnpolariserade. Särskilt, forskargruppen fann att de två spinnkanalerna påverkas olika och att elektroner med motsatta spinn bidrar olika till högharmonisk emission. Dessutom, elektron-elektron-interaktionen manifesterar sig olika i defekterade fasta ämnen i jämförelse med den orörda.

Föreliggande arbete förutser också situationen när antingen en kväve- eller en boratom ersätts med en kolatom (dopningsdefekt) istället för att avlägsna atomen helt från h-BN. När en enda boratom ersätts med en enda kolatom, elektrondynamiken liknar den där en kväveatom avlägsnas helt från h-BN. Tvärtom, den motsatta situationen uppstår när en kväveatom ersätts med en kolatom:Här, dynamiken liknar dem där en boratom är helt avskild från systemet.

Detta arbete är ett viktigt steg mot att uppnå bättre kontroll av ljusvågsdriven petahertz-spintronik med hjälp av defektteknik i fasta ämnen.