Ett nytt verktyg som använder ljus för att kartlägga de elektroniska strukturerna i kristaller kan avslöja förmågan hos framväxande kvantmaterial och bana väg för avancerad energiteknik och kvantdatorer, enligt forskare vid University of Michigan, University of Regensburg och University of Marburg.

Ett papper om arbetet publiceras i Vetenskap .

Tillämpningarna inkluderar LED -lampor, solceller och artificiell fotosyntes.

"Kvantmaterial kan ha en påverkan långt bortom kvantberäkning, "sa Mackillo Kira, professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of Michigan, som ledde teorisidan av den nya studien. "Om du optimerar kvantegenskaper rätt, du kan få 100% effektivitet för ljusabsorption. "

Kiselbaserade solceller börjar redan bli den billigaste elformen, även om deras omvandlingseffektivitet från solljus till el är ganska låg, cirka 30%. Framväxande "2-D" halvledare, som består av ett enda lager kristall, skulle kunna göra det mycket bättre - eventuellt använda upp till 100% av solljuset. De kan också höja kvantberäkningen till rumstemperatur från de maskiner som nästan absolut noll har visat hittills.

"Nya kvantmaterial upptäcks nu i snabbare takt än någonsin, "sa Rupert Huber, professor i fysik vid universitetet i Regensburg i Tyskland, som ledde det experimentella arbetet. "Genom att helt enkelt stapla sådana lager ovanpå varandra under variabla vridningsvinklar, och med ett brett urval av material, forskare kan nu skapa konstgjorda fasta ämnen med verkligt oöverträffade egenskaper. "

Möjligheten att kartlägga dessa egenskaper ner till atomerna kan hjälpa till att effektivisera processen att designa material med rätt kvantstrukturer. Men dessa ultratunna material är mycket mindre och rörigare än tidigare kristaller, och de gamla analysmetoderna fungerar inte. Nu, 2-D-material kan mätas med den nya laserbaserade metoden vid rumstemperatur och tryck.

De mätbara operationerna inkluderar processer som är nyckeln till solceller, lasrar och optiskt driven kvantberäkning. Väsentligen, elektroner dyker upp mellan ett "marktillstånd, "där de inte kan resa, och anger i halvledarens "ledningsband, "där de är fria att röra sig genom rymden. De gör detta genom att absorbera och avge ljus.

Kvantkartläggningsmetoden använder en 100 femtosekund (100 kvadrilliondelar av en sekund) puls av rött laserljus för att sprida elektroner ur jordtillståndet och in i ledningsbandet. Därefter träffas elektronerna med en andra puls av infrarött ljus. Detta pressar dem så att de svänger upp och ner i en energidal "dal" i ledningsbandet, lite som skateboardåkare i en halfpipe.

Teamet använder elektronernas dubbelvåg/partikelkaraktär för att skapa ett stående vågmönster som ser ut som en kam. De upptäckte att när toppen av denna elektronkam överlappar materialets bandstruktur - dess kvantstruktur - avger elektroner ljus intensivt. Den kraftfulla ljusutsläppet längs, med kamlinjernas smala bredd, hjälpte till att skapa en bild så skarp att forskare kallar den superupplösning.

Genom att kombinera den exakta platsinformationen med ljusets frekvens, laget kunde kartlägga bandstrukturen för 2-D halvledar volfram diseleniden. Inte bara det, men de kunde också få en avläsning av varje elektronens orbitala vinkelmoment genom det sätt som ljusvågens framsida snodde i rymden. Manipulera en elektron orbital vinkelmoment, även känd som en pseudospin, är en lovande väg för lagring och behandling av kvantinformation.

I volfram diselenide, den orbitala vinkelmomentet identifierar vilken av två olika "dalar" en elektron upptar. Meddelandena som elektronerna skickar ut kan visa forskare inte bara vilken dal elektronen befann sig i utan också hur landskapet i den dalen ser ut och hur långt ifrån varandra dalarna är, som är de viktigaste elementen som behövs för att designa nya halvledarbaserade kvantanordningar.

Till exempel, när laget använde lasern för att skjuta elektroner upp på sidan av ena dalen tills de föll ner i den andra, elektronerna avgav ljus vid den fallpunkten, för. Det ljuset ger ledtrådar om dalarnas djup och höjden på åsen mellan dem. Med den här typen av information, forskare kan ta reda på hur materialet skulle klara sig för en mängd olika ändamål.

Tidningen har titeln, "Superupplöst ljusvågstomografi av elektroniska band i kvantmaterial."