Ultratunna lager av volframdiselenid har potentiella tillämpningar inom opto-elektronik och kvantteknik. LMU -forskare har nu undersökt hur detta material interagerar med ljus i närvaro av starka magnetfält.

På grund av deras häpnadsväckande och mångsidiga egenskaper, atomtunna en- och tvåskiktsformer av halvledande övergångsmetall -dikalkogenider har väckt stort intresse de senaste åren. Mest uppmärksamhet har hittills ägnats åt de optiska egenskaperna hos dessa material, såsom molybdensulfid (MoS) och volframdiselenid (WSe ₂ ). Dessa föreningar visar stort löfte som nanoskalaelement för applikationer inom opto-elektronisk och kvantteknik.

I en ny studie, LMU -fysiker under ledning av Alexander Högele har nu utvecklat en teoretisk modell, som beskriver effekterna av magnetfält på excitons beteende i tvådimensionella ultratunna övergångsmetalldikalkogenider. Excitoner är starkt bundna kvasipartiklar, består av en elektron i ledningsbandet och dess positivt laddade motsvarighet i valensbandet som kallas ett hål. I närvaro av starka magnetfält, energitillstånden för sådana kvasipartiklar (dvs. de frekvenser vid vilka de avger och absorberar ljus) delas upp. Denna spektralsplittring kan mätas experimentellt och - ännu viktigare i nuvarande sammanhang - det kan också teoretiskt förutsägas.

I studien, teamet kylde monoskikt och tvåskiktsprover av WSe ₂ till temperaturen för flytande helium på några grader Kelvin. Forskarna använde sedan optisk spektroskopi för att mäta emissionsspektra som en funktion av magnetfält upp till 9 Tesla och bestämde den fältinducerade splittringen. "Mätningar som denna är användbara för att studera excitoner, som i sin tur bestämmer ljus-materia-interaktionen mellan halvledare, "Förklarar Högele.

Det var redan känt att excitoner kan bildas i olika konfigurationer. Förutom ljusa excitoner, vilket par direkt för att tända, parningen av elektroner och hål kan ge spinnmörka och momentum-mörka excitoner. Tills nu, det har inte varit möjligt att slutgiltigt tilldela signaturerna som observerats i emissionsspektra till dessa olika excitonarter. I närvaro av magnetfält, dock, individuella utsläppstoppar uppvisar karakteristiska spektrala klyftor. "Denna uppdelning kan användas för att skilja mellan de olika typerna av excitoner, säger Högele, "men bara om vi har den enligt teoretiska modellen." LMU -teamet utvecklade teori för att från första principer beräkna spektraluppdelningen för de olika typerna av excitoner i monoskikt och tvåskikt WSe ₂ utsatt för magnetfält, och jämförde sina teoretiska förutsägelser med experimentella data.

Resultaten ger en bättre förståelse av de opto-elektroniska egenskaperna hos WSe ₂ och relaterade övergångsmetall-dikalkogenider där excitoner representerar det primära gränssnittet för ljus att interagera med nanoskala. Ultratunna lager av WSe ₂ fungera som en testbädd för tekniska utnyttjanden av ljusmaterialkoppling i opto-elektroniska enheter inklusive fotodetektorer och sändare eller fotovoltaiska enheter. "Dessa ultratunna material är mekaniskt flexibla och extremt kompakta, "säger Högele. De är också potentiellt livskraftiga för kvantteknik eftersom de är värd för dalar som kvantitetsgrader av frihet som kan fungera som qubits, de grundläggande enheterna för informationsbehandling i kvantdatorer.