Na het ontwikkelen van een methode om excitonstromen bij kamertemperatuur te regelen, EPFL-wetenschappers hebben nieuwe eigenschappen van deze quasideeltjes ontdekt die kunnen leiden tot energiezuinigere elektronische apparaten.

Zij waren de eersten die de excitonstromen bij kamertemperatuur regelden. En nu, het team van wetenschappers van EPFL's Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) heeft hun technologie een stap verder gebracht. Ze hebben een manier gevonden om enkele eigenschappen van excitonen te beheersen en de polarisatie van het licht dat ze genereren te veranderen. Dit kan leiden tot een nieuwe generatie elektronische apparaten met transistors die minder energieverlies en warmteafvoer ondergaan. De ontdekking van de wetenschappers maakt deel uit van een nieuw onderzoeksgebied genaamd valleytronics en is zojuist gepubliceerd in Natuurfotonica .

Excitonen worden gecreëerd wanneer een elektron licht absorbeert en naar een hoger energieniveau gaat, of "energieband" zoals ze in de vaste kwantumfysica worden genoemd. Dit geëxciteerde elektron laat een "elektronengat" achter in zijn vorige energieband. En omdat het elektron een negatieve lading heeft en het gat een positieve lading, de twee zijn met elkaar verbonden door een elektrostatische kracht die een Coulomb-kracht wordt genoemd. Het is dit elektron-elektron gatenpaar dat een exciton wordt genoemd.

Ongekende kwantumeigenschappen

Excitonen komen alleen voor in halfgeleidende en isolerende materialen. Hun buitengewone eigenschappen zijn gemakkelijk toegankelijk in 2D-materialen, dat zijn materialen waarvan de basisstructuur slechts enkele atomen dik is. De meest voorkomende voorbeelden van dergelijke materialen zijn koolstof en molybdeniet.

Wanneer dergelijke 2D-materialen worden gecombineerd, ze vertonen vaak kwantumeigenschappen die geen van beide materialen op zichzelf bezit. Zo combineerden de EPFL-wetenschappers wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) met molybdeendiselenide (MoSe ₂ ) om nieuwe eigenschappen te onthullen met een scala aan mogelijke hightech toepassingen. Door een laser te gebruiken om lichtstralen met circulaire polarisatie te genereren, en de posities van de twee 2D-materialen lichtjes te verschuiven om een ​​moirépatroon te creëren, ze waren in staat om excitonen te gebruiken om de polarisatie te veranderen en te reguleren, golflengte en intensiteit van het licht.

Van de ene vallei naar de andere

De wetenschappers bereikten dit door een van de eigenschappen van de excitonen te manipuleren:hun "vallei, " die gerelateerd is aan de extreme energieën van het elektron en het gat. Deze valleien - waar de naam valleytronics vandaan komt - kunnen worden gebruikt om informatie op nanoscopisch niveau te coderen en te verwerken.

"Het koppelen van verschillende apparaten die deze technologie bevatten, zou ons een nieuwe manier geven om gegevens te verwerken, " zegt Andras Kis, die aan het hoofd staat van LANES. "Door de polarisatie van licht in een bepaald apparaat te veranderen, we kunnen dan een specifieke vallei selecteren in een tweede apparaat dat ermee is verbonden. Dat is vergelijkbaar met schakelen van 0 naar 1 of 1 naar 0, dat is de fundamentele binaire logica die wordt gebruikt in de informatica."