En ny tillverkningsprocess i "sandwich-stil" som placerar en halvledare med endast en atom tunn mellan två speglar har gjort det möjligt för australiensiska forskare att ta ett betydande steg mot ultralågenergielektronik baserad på hybridpartiklar av lätt materia exciton-polaritoner.

Studien, leds av Australian National University, visat robust, spridningsfri spridning av en exciton blandat med ljus som studsar mellan de högkvalitativa speglarna.

Konventionell elektronik är beroende av strömmande elektroner, eller "hål" (ett hål är frånvaron av en elektron, dvs en positivt laddad kvasipartikel).

Dock, ett stort område inom framtida elektronik fokuserar istället på användningen av excitoner (en elektron bunden till ett hål) eftersom, i princip, de kunde flyta i en halvledare utan att förlora energi genom att bilda ett kollektivt superfluid tillstånd. Och excitationer i roman, aktivt studerade atomtunna halvledare är stabila vid rumstemperatur.

Atomtunna halvledare är således en lovande klass av material för lågenergitillämpningar som nya transistorer och sensorer. Dock, just för att de är så tunna, deras egenskaper, inklusive flödet av excitoner, är starkt påverkade av störningar eller brister, som kan införas under tillverkningen.

Det ANU-ledda FLEET-teamet – med kollegor vid Swinburne University och FLEET Partnerinstitution Wroclaw University – har kopplat excitonerna i ett atomärt tunt material till ljus för att för första gången demonstrera deras långdistansutbredning utan någon förlust av energi, vid rumstemperatur.

När en exciton (materia) binder till en foton (ljus), den bildar en ny hybridpartikel – en exciton-polariton. Att fånga ljus mellan två parallella högkvalitativa speglar i en optisk mikrokavitet gör att detta kan hända.

I den nya studien, en ny tillverkningsprocess i "sandwichstil" för den optiska mikrokaviteten gjorde det möjligt för forskarna att minimera skador på den atomärt tunna halvledaren och att maximera interaktionen mellan excitonerna och fotonerna. Exciton-polaritonerna som bildades i denna struktur kunde fortplanta sig utan energiförlust över tiotals mikrometer, den typiska skalan för ett elektroniskt mikrochip.

Mikrokavitetskonstruktion är nyckeln

En högkvalitativ optisk mikrokavitet som säkerställer livslängden hos ljus (fotonisk) komponent i exciton-polaritoner är nyckeln till dessa observationer.

Studien fann att exciton-polaritoner kan göras anmärkningsvärt stabila om mikrokaviteten är konstruerad på ett speciellt sätt, undvika skador på den ömtåliga halvledaren inklämd mellan speglarna under tillverkningen.

"Valet av det atomärt tunna materialet som excitonerna rör sig i är mycket mindre viktigt, " säger huvudförfattaren och motsvarande författare Matthias Wurdack.

"Vi fann att konstruktionen av den mikrohåligheten var nyckeln, säger Matthias, "Och medan vi använde volframsulfid (WS2) i detta specifika experiment, vi tror att alla andra atomärt tunna TMDC-material också skulle fungera."

(Dikalkogenider av övergångsmetall är utmärkta värdar för excitoner, som är värd för excitoner som är stabila vid rumstemperatur och interagerar starkt med ljus).

Teamet byggde mikrohålrummet genom att stapla alla dess komponenter en efter en. Först, en bottenspegel av mikrokaviteten tillverkas, sedan placeras ett halvledarskikt på det, och sedan fullbordas mikrohålrummet genom att placera en annan spegel ovanpå. Kritiskt sett, laget deponerade inte den övre spegelstrukturen direkt på den notoriskt ömtåliga atomärt tunna halvledaren, som lätt skadas under all materialavsättningsprocess.

"Istället, vi tillverkar hela toppstrukturen separat, och placera den sedan mekaniskt ovanpå halvledaren, som att göra en smörgås, säger Matthias.

"Därmed undviker vi alla skador på den atomärt tunna halvledaren, och bevara egenskaperna hos dess excitoner."

Viktigt, forskarna optimerade denna sandwichmetod för att göra hålrummet mycket kort, vilket maximerade exciton-foton-interaktionen.

"Vi hade också nytta av lite serendipity, ", säger Matthias. "En tillverkningsolycka som slutade vara nyckeln till vår framgång!"

Den otäcka "olyckan" kom i form av ett luftgap mellan de två speglarna, vilket gör dem inte strikt parallella.

Denna kil i mikrokaviteten skapar en spänning/potential "lutning" för exciton-polaritonerna, med partiklarna som rör sig antingen upp eller ner i lutningen.

Forskarna upptäckte att en del av exciton-polaritonerna färdas med bevarande av total (potentiell och kinetisk) energi, både upp och ner för lutningen. Reser nerför sluttningen, de omvandlar sin potentiella energi till lika mycket kinetisk energi, och vice versa.

Det perfekta bevarandet av total energi innebär att ingen energi går förlorad i värme (på grund av "friktion"), som signalerar "ballistisk" eller avledningsfri transport för polaritoner. Även om polaritonerna i denna studie inte bildar en supervätska, frånvaron av förlust uppnås eftersom alla spridningsprocesser som leder till energiförlust undertrycks.

"Denna demonstration, för första gången, ballistisk transport av rumstemperaturpolaritoner i atomärt tunna TMDC är ett viktigt steg mot framtiden, excitonbaserad elektronik med ultralåg energi, säger gruppledaren Prof Elena Ostrovskaya (ANU).

Förutom att skapa den potentiella "lutningen, " Samma tillverkningsolycka skapade en potentiell brunn för exciton-polaritoner. Detta gjorde det möjligt för forskarna att fånga och ackumulera de resande exciton-polaritonerna i brunnen - ett viktigt första steg för att fånga och styra dem på ett mikrochip."

Lång räckvidd, rumstemperaturflöde av exciton-polaritoner

Vidare, forskarna bekräftade att exciton-polaritoner kan fortplanta sig i den atomärt tunna halvledaren i tiotals mikrometer (lätt tillräckligt långt för funktionell elektronik), utan att sprida på materialdefekter. Detta i motsats till excitoner i dessa material, vars reslängd minskar dramatiskt av dessa defekter.

Dessutom, exciton-polaritonerna kunde bevara sin inneboende koherens (korrelation mellan signal vid olika punkter i rum och tid), vilket bådar gott för deras potential som informationsbärare.

"Denna långa räckvidd, koherent transport uppnåddes vid rumstemperatur, vilket är viktigt för utvecklingen av praktiska tillämpningar av atomärt tunna halvledare", sa Matthias Wurdack.

Om framtida excitoniska enheter ska vara livskraftiga, lågenergialternativ till konventionella elektroniska enheter, de måste kunna fungera i rumstemperatur, utan behov av energikrävande kylning.

"Faktiskt, kontraintuitivt, våra beräkningar visar att utbredningslängden blir längre vid högre temperaturer, vilket är viktigt för tekniska tillämpningar, sa Matthias.

"Motionell avsmalning, ballistisk transport, och infångning av rumstemperatur excitonpolaritoner i en atomärt tunn halvledare" publicerades i Naturkommunikation i september 2021.