Elektroner inuti fasta material kan bara ta vissa energivärden. De tillåtna energiområdena kallas "band", och utrymmet mellan dem, de förbjudna energierna, är känt som "bandgap". Båda utgör tillsammans "bandstrukturen" för materialet, vilket är en unik egenskap för varje specifikt material.
När fysiker plottar bandstrukturen ser de vanligtvis att de resulterande kurvorna liknar berg och dalar. Faktum är att den tekniska termen för ett lokalt energimaximum eller -minimum i banden kallas en "dal", och fältet som studerar och utnyttjar hur elektroner i materialet växlar från en dal till den andra myntades "daltronik."
I standardhalvledarelektronik är elektronernas elektriska laddning den mest använda egenskapen som utnyttjas för att koda och manipulera information. Men dessa partiklar har andra egenskaper som också skulle kunna användas för samma ändamål, såsom dalen de befinner sig i. Under det senaste decenniet har valleytronics främsta syfte varit att nå kontrolldalpopulationen (även känd som dalpolarisering) i material.
En sådan prestation skulle kunna användas för att skapa klassiska och kvantiga grindar och bitar, något som verkligen skulle kunna driva utvecklingen av datoranvändning och kvantinformationsbehandling.
Tidigare försök uppvisade flera nackdelar. Till exempel måste ljuset som användes för att manipulera och ändra dalpolarisering vara resonant; det vill säga energin hos dess fotoner (partiklarna som utgör ljus) måste motsvara exakt energin i bandgapet i det specifika materialet.
Varje liten avvikelse minskade metodens effektivitet, så, förutsatt att varje material har sina egna bandgap, verkade generaliseringen av den föreslagna mekanismen vara utom räckhåll. Dessutom hade denna process endast uppnåtts för enskiktsstrukturer (2D-material, bara en atoms tjocklek).
Detta krav hindrade dess praktiska implementering, eftersom monolager vanligtvis är begränsade i storlek och kvalitet och svåra att konstruera.
Nu har ICFO-forskarna Igor Tyulnev, Julita Poborska och Dr Lenard Vamos, ledda av prof. ICREA Jens Biegert, i samarbete med forskare från Max-Born-Institute, Max-Planck Institute for the Science of Light och Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid har hittat en ny universell metod för att inducera dalpolarisering i centrosymmetriska bulkmaterial.
Upptäckten, publicerad i Nature , låser upp möjligheten att kontrollera och manipulera dalpopulationen utan att begränsas av det specifika valda materialet.
Samtidigt kan metoden användas för att få en mer detaljerad karakterisering av kristaller och 2D-material.
Äventyret började med den experimentella gruppen ledd av ICREA-professorn vid ICFO Jens Biegert, som till en början ville producera dalpolarisering experimentellt med sin speciella metod i 2D-material, i linje med vad som hade bevisats teoretiskt i en tidigare teoretisk artikel av Álvaro Jiménez , Rui Silva och Misha Ivanov.
För att ställa in experimentet testades den initiala mätningen på bulk MoS2 (ett bulkmaterial gjort av många monolager staplade tillsammans) med det överraskande resultatet att de såg signaturen för dalpolarisering. "När vi började arbeta med det här projektet fick vi höra av våra teorimedarbetare att det var omöjligt att visa dalpolarisering i bulkmaterial", förklarar Poborska.
Det teoretiska teamet påpekar också hur deras modell i början endast var lämplig för enstaka 2D-lager. "Vid första anblicken verkade det som att lägga till fler lager skulle hindra valet av specifika dalar i provet. Men efter de första experimentella resultaten justerade vi simuleringen till bulkmaterial, och det validerade observationerna förvånansvärt väl. Vi gjorde inte ens försök att passa vad som helst. Det är precis som det kom ut", tillägger professor Misha Ivanov, teoretikerledaren.
Till slut, "visade det sig att ja, du kan faktiskt dalpolarisera bulkmaterial som är centralsymmetriska på grund av symmetriförhållandena", avslutar Poborska.
Som Igor Tyulnev, första författare till artikeln, förklarar, "bestod vårt experiment i att skapa en intensiv ljuspuls med en polarisation som passade denna inre struktur. Resultatet var det så kallade "trefoil-fältet", vars symmetri matchade den triangulära sub- gitter som utgör heteroatomära hexagonala material."
Detta symmetrimatchade starka fält bryter rymd- och tidssymmetrin inom materialet, och, ännu viktigare, den resulterande konfigurationen beror på orienteringen av trefoilfältet i förhållande till materialet. Därför, "genom att helt enkelt rotera det infallande ljusfältet kunde vi modulera dalpolarisationen", avslutar Tyulnev, en stor bedrift på området och en bekräftelse på en ny universell teknik som kan kontrollera och manipulera elektrondalarna i bulkmaterial.
Experimentet kan förklaras i tre huvudsteg:För det första syntesen av trefoilfältet; sedan dess karakterisering; och slutligen den faktiska produktionen av dalpolarisering.
Forskarna betonar den otroligt höga precision som karakteriseringsprocessen krävde, eftersom trefoilfältet består av inte bara ett utan två sammanhängande kombinerade optiska fält. En av dem måste vara cirkulärt polariserad i en riktning, och den andra behövde vara den andra övertonen av den första strålen, polariserad med motsatt hand. De överlagrade dessa fält på varandra så att den totala polariseringen med tiden spårade den önskade trefoilformen.
Tre år efter de första experimentella försöken är Igor Tyulnev stolt över den senaste Naturen offentliggörande. Framträdandet i en sådan prestigefylld tidskrift erkänner den nya universella metoden, som, som han säger, "kan användas inte bara för att kontrollera egenskaperna hos en mängd olika kemiska arter utan också för att karakterisera kristaller och 2D-material."
Som prof. ICREA vid ICFO Jens Biegert påpekar:"Vår metod kan vara en viktig ingrediens för att konstruera energieffektiva material för effektiv informationslagring och snabba växlingar. Detta tillgodoser det trängande behovet av enheter med låg energiförbrukning och ökad beräkningshastighet. Jag kan inte lova att det vi har tillhandahållit är lösningen, men det är förmodligen en lösning på denna stora utmaning."
Mer information: Jens Biegert, Valleytronics i bulk MoS2 med ett topologiskt optiskt fält, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07156-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07156-y
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av ICFO
