Verborgen in talloze materialen zijn waardevolle eigenschappen die de volgende generatie technologieën mogelijk zullen maken, zoals quantum computing en verbeterde zonnecellen.

Aan het Rensselaer Polytechnisch Instituut, onderzoekers die werkzaam zijn op het snijvlak van materiaalwetenschap, chemische technologie, en natuurkunde ontdekken nieuwe en innovatieve manieren om die veelbelovende en nuttige vaardigheden te ontgrendelen met behulp van licht, temperatuur, druk, of magnetische velden.

De baanbrekende ontdekking van een optische versie van het quantum hall-effect (QHE), vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordeling X, toont het leiderschap van Rensselaer op dit cruciale onderzoeksgebied.

QHE is een verschil in mechanische spanning dat ontstaat wanneer een tweedimensionale halfgeleider in een groot magnetisch veld wordt geplaatst. Het magnetische veld zorgt ervoor dat elektronen zo bewegen dat er geen stroom meer door de hele halfgeleider vloeit, alleen aan de randen.

Het fenomeen is een belangrijk studiegebied geweest, wat leidde tot verschillende Nobelprijzen en tal van technologische innovaties. Wat minder wordt begrepen, zei Sufei Shi, een assistent-professor chemische en biologische technologie bij Rensselaer, is de kwantisering van excitonen - een veelbelovend deeltje dat wordt aangetroffen in overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) dat wordt gevormd wanneer licht een halfgeleider raakt en een positief geladen deeltje bindt met een negatief geladen deeltje. De sterke binding die deze twee deeltjes verenigt, bevat een aanzienlijke hoeveelheid energie.

Shi heeft veel van zijn onderzoek gericht op deze nieuwe grens, begrijpen dat het exciton het potentieel heeft om te worden gebruikt voor een groot aantal toepassingen, inclusief kwantumcomputers, geheugenopslag, en zelfs het oogsten van zonne-energie. Shi en zijn lab hebben gewerkt aan een proces om extreem schone en hoogwaardige tweedimensionale halfgeleiders te fabriceren uit TMD's, zodat ze hun intrinsieke eigenschappen kunnen bestuderen. Dat grondwerk heeft geleid tot deze meest recente ontdekking.

In dit onderzoek, Shi en zijn lab bestudeerden het exciton in aanwezigheid van een groot magnetisch veld, het induceren van energiekwantisatie die bekend staat als Landau-kwantisatie - een effect dat voorheen moeilijk optisch te zien was.

Dit werk demonstreert de optische versie van de QHE voor excitonen, en Shi gelooft dat het de deur zal openen voor verdere ontdekking en toepassing.

"Fundamenteel, dit is iets compleet nieuws en het zal ons begrip van excitonen in het kwantumregime enorm vergroten, een gebied dat we nog niet helemaal begrijpen, " zei Shi. "We hopen dat dit veel mensen zal inspireren om in deze richting te werken om nieuwe kwantumfysica te zien, iets wat we eerder niet eens hadden verwacht."