Tvådimensionella van der Waals-material har varit i fokus för många forskargrupper under en tid. Står bara några atomlager tjocka, dessa strukturer produceras i laboratoriet genom att kombinera atomtjocka lager av olika material (i en process som kallas "atomic Lego"). Interaktioner mellan de staplade skikten tillåter heterostrukturerna att uppvisa egenskaper som de individuella beståndsdelarna saknar.

Tvåskiktad molybdendisulfid är ett sådant van der Waals-material, i vilket elektroner kan exciteras med hjälp av en lämplig experimentell uppställning. Dessa negativt laddade partiklar lämnar sedan sin position i valensbandet, lämnar efter sig ett positivt laddat hål och går in i ledningsbandet. Med tanke på de olika laddningarna av elektroner och hål, attraheras de två till varandra och bildar vad som kallas en kvasipartikel. Det senare kallas också för ett elektron-hålspar, eller exciton, och kan röra sig fritt i materialet.

I tvåskiktad molybdendisulfid producerar excitation med ljus två olika typer av elektron-hålpar:intraskiktspar, där elektronen och hålet är lokaliserade i samma skikt av materialet, och mellanskiktspar, vars hål och elektron är belägna i olika lager och är därför rumsligt åtskilda från varandra.

Dessa två typer av elektron-hålpar har olika egenskaper:Intralagerpar interagerar starkt med ljus – med andra ord lyser de väldigt starkt. Å andra sidan är interlagerexcitoner mycket svagare men kan skiftas till olika energier och gör det därför möjligt för forskare att justera den absorberade våglängden. Till skillnad från intralagerexcitoner uppvisar interlagerexcitoner också mycket starka, olinjära interaktioner med varandra – och dessa interaktioner spelar en viktig roll i många av deras potentiella tillämpningar.

Sammanslagning av fastigheter

Nu har forskarna från gruppen ledd av professor Richard Warburton vid institutionen för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet (SNI) vid universitetet i Basel kopplat dessa två typer av elektron-hålpar genom att föra de två till liknande energier. Denna konvergens är endast möjlig tack vare justerbarheten av interlagerexcitoner, och den resulterande kopplingen gör att egenskaperna hos de två typerna av elektron-hålspar går samman. Forskarna kan därför skräddarsy sammanslagna partiklar som inte bara är väldigt ljusa utan också interagerar väldigt starkt med varandra.

"Detta tillåter oss att kombinera de användbara egenskaperna hos båda typerna av elektron-hålspar", förklarar Lukas Sponfeldner, doktorand vid SNI Ph.D. Skola och första författare till tidningen. "Dessa sammanslagna egenskaper skulle kunna användas för att producera en ny källa för individuella fotoner, som är en viktig del av kvantkommunikation."

Kompatibel med klassiska modeller

I tidningen, som publicerades i Physical Review Letters , visar forskarna också att detta komplexa system av elektron-hålspar kan simuleras med hjälp av klassiska modeller från mekanik eller elektronik.

Specifikt kan elektron-hålspar mycket effektivt beskrivas som oscillerande massor eller kretsar. "Dessa enkla och allmänna analogier hjälper oss att få en bättre förståelse av de grundläggande egenskaperna hos kopplade partiklar, inte bara i molybdendisulfid utan även i många andra materialsystem och sammanhang", förklarar professor Richard Warburton. + Utforska vidare

Ett mycket ljusabsorberande och avstämbart material