Ett team av forskare under ledning av Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat en enkel metod som kan förvandla vanliga halvledande material till kvantmaskiner – supertunna enheter som kännetecknas av extraordinärt elektroniskt beteende. Ett sådant framsteg kan hjälpa till att revolutionera ett antal industrier som strävar efter energieffektiva elektroniska system – och ge en plattform för exotisk ny fysik.

Studien som beskriver metoden, som staplar ihop 2D-lager av volframdisulfid och volframdiselenid för att skapa ett intrikat mönstrat material, eller supergaller, publicerades nyligen online i tidskriften Natur .

"Detta är en fantastisk upptäckt eftersom vi inte tänkte på dessa halvledande material som starkt interagerande, sa Feng Wang, en fysiker med kondenserad materia vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley. "Nu har detta arbete fört dessa till synes vanliga halvledare in i kvantmaterialutrymmet."

Tvådimensionella (2D) material, som bara är en atom tjock, är som byggstenar i nanostorlek som kan staplas godtyckligt för att bilda små enheter. När gittren i två 2D-material är lika och väl inriktade, ett återkommande mönster som kallas ett moiré-supergitter kan bildas.

Under det senaste decenniet, forskare har studerat sätt att kombinera olika 2D-material, börjar ofta med grafen – ett material känt för sin förmåga att effektivt leda värme och elektricitet. Utanför detta arbete, andra forskare hade upptäckt att moiré-supergitter bildade med grafen uppvisar exotisk fysik som supraledning när lagren är justerade i precis rätt vinkel.

Den nya studien, leds av Wang, använde 2-D-prover av halvledande material – volframdisulfid och volframdiselenid – för att visa att vridningsvinkeln mellan lagren ger en "avstämningsknopp" för att förvandla ett 2-D halvledande system till ett exotiskt kvantmaterial med starkt interagerande elektroner.

Gå in i en ny fysiksfär

Medförfattare Chenhao Jin, en postdoktor, och Emma Regan, en doktorandforskare, som båda arbetar under Wang i Ultrafast Nano-Optics Group vid UC Berkeley, tillverkade volframdisulfid- och volframdiselenidproverna med en polymerbaserad teknik för att plocka upp och överföra flingor av materialen, var och en mäter bara tiotals mikrometer i diameter, i en hög.

De hade tillverkat liknande prover av materialet för en tidigare studie, men med de två lagren staplade i ingen speciell vinkel. När de mätte den optiska absorptionen av ett nytt volframdisulfid- och volframdiselenidprov för den aktuella studien, de blev helt överraskade.

Absorptionen av synligt ljus i en volframdisulfid/volframdiselenidanordning är störst när ljuset har samma energi som systemets exciton, en kvasipartikel som består av en elektron bunden till ett hål som är vanligt i 2D-halvledare. (Inom fysik, ett hål är ett för närvarande ledigt tillstånd som en elektron kan ockupera.)

För ljus i det energiområde som forskarna övervägde, de förväntade sig att se en topp i signalen som motsvarade energin hos en exciton.

Istället, de fann att den ursprungliga toppen som de förväntade sig att se hade delat upp sig i tre olika toppar som representerade tre distinkta excitontillstånd.

Vad kunde ha ökat antalet excitontillstånd i volframdisulfid/volframanordningen från ett till tre? Var det tillägget av ett moiré-supergitter?

Att få reda på, deras samarbetspartners Aiming Yan och Alex Zettl använde ett transmissionselektronmikroskop (TEM) vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en forskningsanläggning i nanoskala, att ta bilder med atomupplösning av volframdisulfid/volframdiselenidanordningen för att kontrollera hur materialens gitter var inriktade.

TEM-bilderna bekräftade vad de hade misstänkt hela tiden:materialen hade verkligen bildat ett moiré-supergitter. "Vi såg vackra, upprepande mönster över hela provet, ", sa Regan. "Efter att ha jämfört denna experimentella observation med en teoretisk modell, vi fann att moiré-mönstret introducerar en stor potentiell energi periodiskt över enheten och kan därför introducera exotiska kvantfenomen."

Forskarna planerar nästa att mäta hur detta nya kvantsystem kan tillämpas på optoelektronik, som hänför sig till användningen av ljus i elektronik; valleytronics, ett område som skulle kunna utvidga gränserna för Moores lag genom att miniatyrisera elektroniska komponenter; och supraledning, vilket skulle tillåta elektroner att flöda i enheter med praktiskt taget inget motstånd.