En tidning publicerad i Naturkommunikation av Sufei Shi, biträdande professor i kemisk och biologisk teknik vid Rensselaer, ökar vår förståelse för hur ljus interagerar med atomärt tunna halvledare och skapar unika excitoniska komplexa partiklar, flera elektroner, och hål starkt sammanbundna. Dessa partiklar har en ny kvantgrad av frihet, kallas "dalsnurr". "Dalsnurret" liknar elektronernas spinn, som har använts flitigt i informationslagring såsom hårddiskar och som också är en lovande kandidat för kvantberäkning.

Pappret, med titeln "Avslöja biexciton- och trion-excitonkomplexen i BN-inkapslad WSe2, " publicerades den 13 september, 2018, upplagan av Naturkommunikation . Resultaten av denna forskning kan leda till nya tillämpningar i elektroniska och optoelektroniska enheter, som solenergiskörd, nya typer av lasrar, och kvantavkänning.

Shis forskning fokuserar på lågdimensionella kvantmaterial och deras kvanteffekter, med ett särskilt intresse för material med starka ljus-materia-interaktioner. Dessa material inkluderar grafen, övergångsmetalldikakogenider (TMD), såsom volframdiselenid (WSe2), och topologiska isolatorer.

TMD representerar en ny klass av atomärt tunna halvledare med överlägsna optiska och optoelektroniska egenskaper. Optisk excitation på de tvådimensionella enkelskiktiga TMD:erna kommer att generera ett starkt bundet elektron-hålpar som kallas en exciton, istället för fritt rörliga elektroner och hål som i traditionella bulkhalvledare. Detta beror på den enorma bindningsenergin i monolager TMD, vilket är storleksordningar större än för konventionella halvledare. Som ett resultat, excitonen kan överleva vid rumstemperatur och kan således användas för applicering av excitoniska anordningar.

När excitonens densitet ökar, fler elektroner och hål paras ihop, bildar excitoniska komplex med fyra partiklar och till och med fem partiklar. En förståelse av de excitoniska komplexen med många partiklar ger inte bara upphov till en grundläggande förståelse av ljus-materia-interaktionen i två dimensioner, det leder också till nya tillämpningar, eftersom de excitoniska komplexen med många partiklar bibehåller "dalspinn"-egenskaperna bättre än excitonen. Dock, trots den senaste utvecklingen i förståelsen av excitoner och trioner i TMD, sa Shi, ett entydigt mått på den biexcitonbindande energin har förblivit svårfångad.

"Nu, för första gången, vi har avslöjat det sanna biexcitontillståndet, ett unikt komplex med fyra partiklar som svarar på ljus, " sa Shi. "Vi avslöjade också arten av den laddade biexcitonen, ett fempartikelkomplex."

På Rensselaer, Shis team har utvecklat ett sätt att bygga ett extremt rent prov för att avslöja denna unika ljus-materia-interaktion. Enheten byggdes genom att stapla flera atomärt tunna material tillsammans, inklusive grafen, bornitrid (BN), och WSe2, genom van der Waals (vdW) interaktion, representerar den senaste tillverkningstekniken för tvådimensionella material.

Detta arbete utfördes i samarbete med National High Magnetic Field Laboratory i Tallahasee, Florida, och forskare vid National Institute for Materials Science i Japan, såväl som med Shengbai Zhang, Kodosky Constellation professor vid institutionen för fysik, Tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer, vars arbete spelade en avgörande roll för att utveckla en teoretisk förståelse av biexciton.

Resultaten av denna forskning kan potentiellt leda till robust optisk fysik med många partiklar, och illustrera möjliga nya tillämpningar baserade på 2D-halvledare, sa Shi. Shi har fått finansiering från Air Force Office of Scientific Research. Zhang fick stöd av Department of Energy, Vetenskapens kontor.

Forskningen presenterades också nyligen i Naturens nanoteknik .