Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een nieuw kwantumproces in valleytronics onthuld dat de ontwikkeling van deze vrij nieuwe technologie kan versnellen.

Valleytronics, een samentrekking van "vallei" en "elektronica, " maakt gebruik van lokale energieminima - of valleien - in de elektronische bandstructuur van halfgeleiders. De huidige halfgeleidertechnologie gebruikt elektronische lading of spin om informatie op te slaan en te verwerken. In sommige halfgeleiders, echter, dalen van de elektronen worden gebruikt om te coderen, Verwerken, en informatie op te slaan. Valleytronic-systemen hebben het potentieel om informatieverwerkingsschema's te bieden die superieur zijn aan op lading en spin gebaseerde halfgeleidertechnologieën.

Het door UC Riverside geleide onderzoeksteam richtte zich op monolaag wolfraamdiselenide (WSe ₂ ), een tweedimensionale halfgeleider met twee verschillende elektronische valleien. Opgewonden elektronen hebben de neiging om te ontspannen en zich op te hopen in een van de valleien om een ​​vallei-index (K of K') te verkrijgen. De vallei-indices kunnen worden gebruikt om één en nul weer te geven om informatie te coderen - net zoals elektrische lading wordt gebruikt in de huidige technologie.

Excitonen en trions kunnen ook de valleien in monolaag WSe . bezetten ₂ en worden gebruikt om vallei-informatie te verzenden. Een exciton is een kwantumgebonden toestand van een elektron en een elektrongat. Een trion is een kwantumgebonden toestand van drie geladen deeltjes. Monolaag WSe ₂ herbergt heldere en donkere excitonen of trions met verschillende spinconfiguraties; helder verval snel in licht, terwijl het donker langzaam in licht vervalt.

"De ontwikkeling van valleytronics vereist stabiele valleistaten en gemakkelijke identificatie van de vallei-indices, " zei Chun Hung "Joshua" Lui, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan UC Riverside, die het onderzoek leidde. "Donkere excitonen en trions in monolaag WSe ₂ hebben een veel langere levensduur en een betere valleistabiliteit dan de gewone heldere excitonen en trions. De donkere excitonen en trions, daarom, dienen als uitstekende kandidaten voor valleytronic-toepassingen."

Lui legde uit dat tot nu toe geen enkele methode de vallei-indices van de donkere excitonen en trionen kon lezen, omdat hun lichtemissie uit beide valleien exact dezelfde energie en polarisatie heeft, waardoor de twee valleien niet van elkaar te onderscheiden zijn. Lui's onderzoeksteam heeft dit obstakel nu overwonnen door een meetbare fysieke grootheid te identificeren die de twee vallei-indices van donkere excitonen en trions kan onderscheiden.

"We hebben een nieuw vervalproces waargenomen van donkere excitonen en trions in monolaag WSe ₂ , waarmee we hun vallei-indexen kunnen identificeren, Lui zei. "Een donkere exciton of trion kan vervallen tot een paar foton en fonon met een kenmerkende valleisignatuur."

Een foton is een kwantum van een elektromagnetische golf. Het kan lineaire of chirale polarisatie hebben wanneer het elektromagnetische veld oscilleert of roteert. De draairichting van het elektromagnetische veld bepaalt of een chiraal foton rechts- of linkshandig is. evenzo, een fonon is een kwantum van atomaire trillingen in het materiaal. Bij atoomtrillingen gaat het meestal om lineaire oscillatie van atomen. Maar in sommige speciale gevallen, de atomen kunnen roteren om de zogenaamde chirale fononen te produceren. De atomaire rotatierichting bepaalt of een chiraal fonon rechts- of linkshandig is.

"We ontdekten dat het donkere exciton in de K-vallei vervalt in een rechtshandig foton en een linkshandig fonon, terwijl het donkere exciton in de tegenoverliggende K'-vallei vervalt in een linkshandig foton en een rechtshandig fonon, " zei Lui. "De handigheid van het uitgezonden foton is een duidelijke handtekening van de vallei-indices van de donkere excitonen en trions."

Lui voegde eraan toe dat het vermogen om de donkere valleien te lezen de verkenning van de dynamiek van de donkere toestand en toepassingen in valleitronic-technologie zou kunnen vergemakkelijken.

De studie verschijnt in Fysiek beoordelingsonderzoek , een open access tijdschrift.