De operationele snelheid van halfgeleiders in verschillende elektronische en opto-elektronische apparaten is beperkt tot enkele gigahertz (een miljard trillingen per seconde). Dit beperkt de bovengrens van de operationele snelheid van de computer. Nu hebben onderzoekers van de MPSD en het Indian Institute of Technology in Bombay uitgelegd hoe deze processen kunnen worden versneld door het gebruik van lichtgolven en defecte vaste materialen.

Lichtgolven voeren enkele honderden biljoenen trillingen per seconde uit. Vandaar, het is natuurlijk om je voor te stellen dat lichtoscillaties worden gebruikt om de elektronische beweging aan te drijven. In tegenstelling tot conventionele technieken, lichtgolven initiëren niet alleen de elektronische beweging, maar regelen deze ook op zijn natuurlijke tijdschaal, d.w.z. de tijdschaal van attoseconden (één attoseconde is een quintiljoenste van een seconde). Dit heeft het potentieel om de operationele snelheid van apparaten en computers met orden van grootte te verhogen en opent een weg voor petahertz-elektronica.

Hoogfrequente lichtflitsen worden uitgezonden wanneer een vaste stof wordt blootgesteld aan intens ultrakort licht. Dit proces staat bekend als hoge harmonische generatie (HHG). De elektrische veldoscillaties van het invallende licht activeren en regelen de beweging van elektronen in vaste stoffen, die de stroom in vaste stoffen instelt. De geïnduceerde stroom heeft twee bijdragen:een van de overgangen van elektronen van valentiebanden naar geleidingsbanden en een andere vanwege de beweging van elektronen en gaten in hun respectieve energiebanden.

In de theoretische en experimentele studies van het proces van HHG in vaste stoffen, algemeen wordt aangenomen dat de vaste stoffen vrij van defecten zijn. Echter, deze onderliggende veronderstelling is in de praktijk niet waar. In echte vaste stoffen, gebreken zijn onvermijdelijk vanwege hun groeiprocessen. Ze kunnen verschillende vormen hebben, zoals vacatures, interstitials, of onzuiverheden. Momenteel, er is niet veel bekend over hoe de aanwezigheid van defecten het HHG-proces en de bijbehorende elektronendynamica kan wijzigen. Rekening houdend met het feit dat defect-engineering de ruggengraat is geweest van conventionele opto-elektronica, het is daarom cruciaal om de rol van defecten in de context van petahertz-elektronica en spintronica te begrijpen.

In hun recente theoretische werk, gepubliceerd in npj Computational Materials , een team van onderzoekers van het Indian Institute of Technology (IIT) in Bombay, Indië, en het Max-Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg, Duitsland, hebben een belangrijk ontbrekend stukje informatie behandeld voor het streven van petahertz-elektronica en spintronica:hoe beïnvloeden de verschillende soorten defecten de beweging van elektronen in vaste stoffen tijdens HHG? Om deze vraag te beantwoorden, een tweedimensionale monolaag van hexagonaal boriumnitride (h-BN) met een borium of een stikstofatoom leegte wordt blootgesteld aan een intense lichtflits.

h-BN gaat zich gedragen als donor of acceptor van elektronen zodra een stikstof- of booratoom wordt verwijderd. Dit resulteert in kwalitatief verschillende elektronische structuren en de geïnduceerde leegstandsdefecten worden spin-gepolariseerd. Vooral, het onderzoeksteam ontdekte dat de twee spinkanalen verschillend worden beïnvloed en dat elektronen met tegengestelde spins anders bijdragen aan hoogharmonische emissie. Bovendien, de elektron-elektron interactie manifesteert zich ongelijksoortig in defecte vaste stoffen in vergelijking met de ongerepte.

Het huidige werk anticipeert ook op de situatie waarin ofwel een stikstof- of een booratoom wordt vervangen door een koolstofatoom (dopingdefect) in plaats van het atoom volledig uit h-BN te verwijderen. Wanneer een enkel booratoom wordt vervangen door een enkel koolstofatoom, de elektronendynamica lijkt op die waarbij een stikstofatoom volledig uit h-BN wordt verwijderd. Integendeel, de tegenovergestelde situatie doet zich voor wanneer een stikstofatoom wordt vervangen door een koolstofatoom:hier, de dynamiek lijkt op die waarbij een booratoom volledig is losgekoppeld van het systeem.

Dit werk is een belangrijke stap in de richting van een betere controle van door lichtgolven aangedreven petahertz-spintronica met behulp van defect-engineering in vaste stoffen.