Halfgeleidende heterostructuren zijn de sleutel tot de ontwikkeling van elektronica en opto-elektronica. Veel toepassingen in het infrarood- en terahertz-frequentiebereik maken gebruik van overgangen, intersubbandovergangen genoemd, tussen gekwantiseerde toestanden in kwantumputten voor halfgeleiders. Deze intrabandovergangen vertonen zeer grote oscillatorsterkten, dicht bij de eenheid. Hun ontdekking in III-V halfgeleider-heterostructuren toonde een enorme impact binnen de gemeenschap van gecondenseerde materie en leidde tot de ontwikkeling van kwantumbron-infraroodfotodetectoren en kwantumcascadelasers.

Kwantumbronnen van de hoogste kwaliteit worden typisch vervaardigd door moleculaire bundelepitaxie (sequentiële groei van kristallijne lagen), wat een gevestigde techniek is. Echter, het stelt twee belangrijke beperkingen:Lattice-matching is vereist, beperking van de vrijheid in materialen om uit te kiezen, en de thermische groei veroorzaakt atomaire diffusie en verhoogt de ruwheid van het grensvlak.

2-D-materialen kunnen deze beperkingen overwinnen, omdat ze van nature een kwantumbron vormen met atomair scherpe interfaces. Ze bieden foutloze en atomair scherpe interfaces, waardoor de vorming van ideale QW's, vrij van diffuse inhomogeniteiten. Ze vereisen geen epitaxiale groei op een bijpassend substraat en kunnen daarom gemakkelijk worden geïsoleerd en gekoppeld aan andere elektronische systemen zoals Si CMOS of optische systemen zoals holtes en golfgeleiders.

Verrassend genoeg, intersubbandovergangen in 2D-materialen met weinig lagen waren nog nooit eerder bestudeerd, noch experimenteel noch theoretisch. Dus, in een recente studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , ICFO-onderzoekers Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, onder leiding van ICREA Prof bij ICFO Frank Koppens, in samenwerking met het Institut Lumière Matière-CNRS, Technische Universiteit van Denemarken, Max Planck Instituut voor de structuur en dynamiek van de materie, CIC nanoGUNE, en het Nationaal Grafeen Instituut, rapporteren over de eerste theoretische berekeningen en eerste experimentele observatie van inter-subbandovergangen in kwantumputten van halfgeleidende 2D-materialen met weinig lagen (TMD's).

In hun experiment hebben het team van onderzoekers paste scattering scanning near-field optische microscopie (s-SNOM) toe als een innovatieve benadering voor spectrale absorptiemetingen met een ruimtelijke resolutie van minder dan 20 nm. Ze exfolieerden TMD's, die terrassen van verschillende laagdiktes over laterale afmetingen van ongeveer enkele micrometers omvatte. Ze observeerden direct de intersubbandresonanties voor deze verschillende kwantumputdiktes binnen een enkel apparaat. Ze stemden ook elektrostatisch de ladingsdragerdichtheid af en toonden intersubbandabsorptie in zowel de valentie- als de geleidingsband. Deze waarnemingen werden aangevuld en ondersteund met gedetailleerde theoretische berekeningen die veel- en niet-lokale effecten aan het licht brachten.

De resultaten van deze studie effenen de weg naar een onontgonnen gebied in deze nieuwe klasse van materialen en bieden een eerste glimp van de fysica en technologie die mogelijk worden gemaakt door intersubbandovergangen in 2D-materialen, zoals infrarooddetectoren, bronnen, en lasers met het potentieel voor compacte integratie met Si CMOS.