Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een manier bedacht om wolfraamdiselenide (WSe2) - een veelbelovend tweedimensionaal materiaal - te manipuleren om het potentieel ervan om sneller, efficiënter computergebruik, en zelfs verwerking en opslag van kwantuminformatie. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Over de wereld, onderzoekers zijn sterk gefocust op een klasse van tweedimensionale, atomair dunne halfgeleidermaterialen bekend als monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden. Deze atomair dunne halfgeleidermaterialen - minder dan 1 nm dik - zijn aantrekkelijk omdat de industrie probeert apparaten kleiner en energiezuiniger te maken.

"Het is een compleet nieuw paradigma, " zei Sufei Shi, assistent-professor chemische en biologische technologie bij Rensselaer en corresponderende auteur op het papier. "De voordelen kunnen enorm zijn."

Shi en zijn onderzoeksteam, in samenwerking met medewerkers van de cleanroomfaciliteiten binnen het Centre for Materials, apparaten, en geïntegreerde systemen bij Rensselaer, hebben een methode ontwikkeld om deze dunne lagen WSe2 van kristallen te isoleren, zodat ze ze bovenop andere atomair dunne materialen zoals boornitride en grafeen kunnen stapelen.

Wanneer de WSe2-laag is ingeklemd tussen twee boornitridevlokken en interageert met licht, Shi zei, een uniek proces plaatsvindt. In tegenstelling tot een traditionele halfgeleider, elektronen en gaten hechten sterk aan elkaar en vormen een ladingsneutraal quasideeltje dat een exciton wordt genoemd.

"Exciton is waarschijnlijk een van de belangrijkste concepten in interactie tussen licht en materie. Dat begrijpen is van cruciaal belang voor het oogsten van zonne-energie, efficiënte lichtgevende diode-apparaten, en bijna alles met betrekking tot de optische eigenschappen van halfgeleiders, " zei Shi, die ook lid is van de afdeling elektrotechniek, computer, en systeemtechniek bij Rensselaer. "Nu hebben we ontdekt dat het daadwerkelijk kan worden gebruikt voor de opslag en verwerking van kwantuminformatie."

Een van de opwindende eigenschappen van het exciton in WSe2, hij zei, is een nieuwe kwantumvrijheidsgraad die bekend is geworden als 'valley spin' - een uitgebreide bewegingsvrijheid voor deeltjes die in het oog is gehouden voor kwantumcomputers. Maar, Shi legde uit, excitonen hebben doorgaans geen lange levensduur, wat ze onpraktisch maakt.

In een eerdere publicatie in Natuurcommunicatie , Shi en zijn team ontdekten een speciaal "donker" exciton dat normaal gesproken niet zichtbaar is, maar een langere levensduur heeft. De uitdaging is dat het "donkere" exciton de "valley-spin" kwantumvrijheidsgraad mist.

In dit meest recente onderzoek ontdekten Shi en zijn team hoe ze het "donkere" exciton konden opfleuren; dat is, om het "donkere" exciton te laten interageren met een ander quasideeltje dat bekend staat als een fonon om een ​​volledig nieuw quasideeltje te creëren dat beide eigenschappen heeft die onderzoekers willen.

"We hebben de goede plek gevonden, Shi zei. "We hebben een nieuw quasideeltje gevonden met een kwantumvrijheidsgraad en ook een lange levensduur, daarom is het zo spannend. We hebben de kwantumeigenschap van het 'heldere' exciton, maar hebben ook de lange levensduur van het 'donkere' exciton."

De bevindingen van het team, Shi zei, de basis leggen voor toekomstige ontwikkeling naar de volgende generatie computer- en opslagapparaten.

Bij Rensselaer, Shi werd bij deze publicatie vergezeld door postdoctoraal wetenschapper Zhipeng Li en afgestudeerde studenten Tianmeng Wang en Zhen Lian, allemaal van de afdeling chemische en biologische technologie. Dit onderzoek is ook gedaan in nauwe samenwerking met het National High Magnetic Field Lab en andere onderzoeksinstellingen.