Excitonen - elektrisch neutrale quasideeltjes - hebben buitengewone eigenschappen. Ze bestaan ​​alleen in halfgeleidende en isolerende materialen en zijn gemakkelijk toegankelijk in tweedimensionale (2D) materialen van slechts enkele atomen dik, zoals koolstof en molybdeniet. Wanneer deze 2D-materialen worden gecombineerd, ze vertonen kwantumeigenschappen die geen van beide materialen op zichzelf bezit.

Een nieuwe studie van de Universiteit van Tel Aviv onderzoekt de generatie en verspreiding van excitonen in 2D-materialen binnen een ongekend klein tijdsbestek en met een buitengewoon hoge ruimtelijke resolutie. Het onderzoek werd geleid door Prof. Haim Suchowski en Dr. Michael Mrejen van TAU's Raymond &Beverly Sackler Faculteit Exacte Wetenschappen en gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 1 februari

Kwantummechanica is een fundamentele theorie in de natuurkunde die de natuur beschrijft op de kleinste energieschalen. "Onze nieuwe beeldtechnologie legt de beweging van excitonen vast in een kort tijdsbestek en op nanometerschaal, " zegt Dr. Mrejen. "Dit hulpmiddel kan zeer nuttig zijn om in de reactie van een materiaal te gluren op de allereerste momenten dat licht het heeft beïnvloed."

"Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om licht aanzienlijk te vertragen om het te manipuleren of zelfs op te slaan, die zeer gewilde mogelijkheden zijn voor communicatie en voor op fotonica gebaseerde kwantumcomputers, " Prof. Suchowski legt uit. "Vanuit het oogpunt van instrumentvermogen, deze krachttoer opent nieuwe mogelijkheden om de ultrasnelle respons van veel andere materiële systemen in andere spectrumregimes te visualiseren en te manipuleren, zoals het midden-infraroodbereik waarin veel moleculen blijken te trillen."

De wetenschappers ontwikkelden een unieke spatiotemporele beeldvormingstechniek op de femtoseconde-nanometrische schaal en observeerden de dynamiek van exciton-polariton in wolfraamdiselenide, een halfgeleidermateriaal, op kamertemperatuur.

Het exciton-polariton is een kwantumwezen dat voortkomt uit de koppeling van licht en materie. Vanwege het specifieke materiaal dat is bestudeerd, de gemeten voortplantingssnelheid was ongeveer 1% van de lichtsnelheid. Op deze tijdschaal, licht slaagt erin om slechts enkele honderden nanometers te reizen.

"We wisten dat we een unieke karakteriseringstool hadden en dat deze 2D-materialen goede kandidaten waren om interessant gedrag op het ultrasnelle-ultrakleine kruispunt te onderzoeken, " zegt Dr. Mrejen. "Ik moet hieraan toevoegen dat het materiaal, wolfraam diselenide, is zeer interessant vanuit het oogpunt van toepassingen. Het houdt zulke licht-materie gekoppelde toestanden in zeer beperkte dimensies in stand, tot een enkele atoomdikte, bij kamertemperatuur en in het zichtbare spectrale bereik."

De onderzoekers onderzoeken nu manieren om de snelheid van halfgeleidergolven te regelen door, bijvoorbeeld, het combineren van meerdere 2D-materialen in stapels.