Ett internationellt forskargrupp som leds av forskare vid University of California, Riverside, har observerat ljusemission från en ny typ av övergång mellan elektroniska dalar, kallas intervallesändningar.

Forskningen ger ett nytt sätt att läsa ut dalinformation, kan leda till nya typer av enheter.

Nuvarande halvledarteknik använder elektronisk laddning eller centrifugering för att lagra och behandla information; tillhörande teknik kallas elektronik och spintronik, respektive. Vissa halvledare innehåller lokala energidalar i sin elektronbandstruktur som kan användas för att koda, bearbeta, och lagra information, som ger upphov till en ny typ av teknik som kallas valleytronics.

"Valleytronics tillhandahåller en alternativ väg för att konstruera informationssystem förutom konventionell elektronik och spintronik, "sa Chun Hung" Joshua "Lui, en biträdande professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid UC Riverside, som ledde forskningen om intervallövergångar i enskikts volfram diselenid (WSe ₂ ). "Vårt nya arbete kan påskynda utvecklingen av valleytronics."

Monoskikt WSe ₂ är ett lovande valleytronic -material eftersom det har två dalar med motsatta dynamiska egenskaper i bandstrukturen. Dessutom, detta material kan interagera starkt med ljus, håller löften för optiskt styrbara valleytronic -applikationer.

Excitons

När monoskikt WSe ₂ absorberar en foton, en bunden elektron kan frigöras i en dal, efterlämnar en elektron vakans, eller hål. Eftersom hålet beter sig som en elektron med positiv laddning, elektronen och hålet kan locka varandra för att bilda ett bundet tillstånd som kallas exciton. En sådan exciton, med både sin elektron och hål i samma dal, kallas en intravalley exciton. Nuvarande excitonforskning i halvskiktshalvledare i monoskikt fokuserar främst på intravalley -excitoner, som kan avge ljus.

En elektron och ett hål i motsatta dalar kan också bilda en exciton, kallas en intervallet exciton, som är en ny komponent inom valleytronics. Lagen om bevarande av fart, dock, förbjuder en elektron och ett hål i motsatta dalar att rekombineras direkt för att avge ljus. Som ett resultat, intervalley -excitoner är "mörka" och dolda i det optiska spektrumet.

Det UCR-ledda forskargruppen har nu observerat ljusemission från intervall-excitoner i monoskikt WSe ₂ . Teamet fann att även om intervallet excitoner är i själva verket mörka, de kan avge en betydande mängd ljus med hjälp av antingen defekter eller gittervibrationer i materialet.

"Spridningen med defekter eller gittervibrationer kan kompensera för momentumfel mellan en elektron och ett hål i motsatta dalar, "Sa Lui." Det gör att vi kan observera ljusutsläpp från intervall -excitoner. "

"Även om processen innebär spridning med defekter eller gittervibrationer, intervallets ljusemission är cirkulärt polariserad, "sade Erfu Liu, en postdoktor i Luis laboratorium och den första författaren till forskningsrapporten. "Sådan cirkulär ljuspolarisering gör att vi kan identifiera excitondalens konfiguration. Denna optiskt läsbara dalkonfiguration är avgörande för att göra intervallitexitoner användbara för valleytronic -applikationer."

Trions

Förutom excitonerna, monoskikt WSe ₂ är också värd för trioner, som består av två elektroner och ett hål eller två hål och en elektron. Trions har också väldefinierade dalkonfigurationer för valleytronic-applikationer. Jämfört med laddningsneutrala excitoner, Trionernas rörelse kan styras av ett elektriskt fält på grund av deras nettoladdning.

En trion kan i allmänhet förfalla genom två vägar. Till exempel, för en trion bestående av ett intravalley elektronhålspar och ett hål i den motsatta dalen för att förfalla, elektronen kan välja att rekombinera med hålet i samma dal eller med hålet i den motsatta dalen. Detta ger upphov till två olika trionförfallningsvägar med intravalley och intervalley elektronhålskombination. Intravalley trionförfallet har studerats mycket, men intervallets trionförfall har hittills inte rapporterats.

Det UCR-ledda laget har visat intervallalt trionförfall för första gången.

"Även om en trion kan förfalla genom antingen intravalley eller intervalley förfall, de två övergångarna har samma energi och kan knappast särskiljas i det optiska spektrumet, "Sade Lui." Men när ett magnetfält appliceras, energierna från intravalley- och intervalley -övergångarna kommer att bli olika. "

Teamet utförde experimenten på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. De visar både trionernas intravalley- och intervalley -sönderfallsvägar.

"Våra resultat ger en mer komplett flervägsbild av trion -dynamik i monoskikt WSe ₂ , "sade Jeremiah van Baren, en doktorand i Luis laboratorium, som delar lika författarskap med Liu. "De bygger på den befintliga envägsbeskrivningen av trioner i 2-D-material och är nyckeln till att främja trionbaserad valleytronic vetenskap och teknik."

Forskningspapperet, publicerad i Fysiska granskningsbrev , heter "Multipath optisk rekombination av intervallala mörka excitoner och trioner i monoskikt WSe ₂ . "Relaterade resultat rapporterades nyligen av två andra forskargrupper som leds av forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute och University of Washington.