Ultradunne lagen wolfraamdiselenide hebben potentiële toepassingen in opto-elektronica en kwantumtechnologieën. LMU-onderzoekers hebben nu onderzocht hoe dit materiaal interageert met licht in de aanwezigheid van sterke magnetische velden.

Dankzij hun verbazingwekkende en veelzijdige eigenschappen, atomair dunne monolaag en dubbellaagse vormen van halfgeleidende overgangsmetaal dichalcogeniden hebben de afgelopen jaren veel belangstelling gewekt. De meeste aandacht is tot nu toe besteed aan de optische eigenschappen van deze materialen, zoals molybdeensulfide (MoS) en wolfraamdiselenide (WSe ₂ ). Deze verbindingen zijn veelbelovend als nanoschaalelementen voor toepassingen in opto-elektronische en kwantumtechnologieën.

In een nieuwe studie, LMU-fysici onder leiding van Alexander Högele hebben nu een theoretisch model ontwikkeld, die de effecten van magnetische velden op het gedrag van excitonen in tweedimensionale ultradunne overgangsmetaal dichalcogeniden beschrijft. Excitonen zijn sterk gebonden quasideeltjes, samengesteld uit een elektron in de geleidingsband en zijn positief geladen tegenhanger in de valentieband die een gat wordt genoemd. In aanwezigheid van sterke magnetische velden, de energietoestanden van dergelijke quasideeltjes (d.w.z. de frequenties waarop ze licht uitzenden en absorberen) splitsen zich op. Deze spectrale splitsing kan experimenteel worden gemeten en - belangrijker in de huidige context - kan ook theoretisch worden voorspeld.

In de studie, het team koelde monolaag- en dubbellaagsmonsters van WSe ₂ tot de temperatuur van vloeibaar helium van enkele graden Kelvin. De onderzoekers gebruikten vervolgens optische spectroscopie om de emissiespectra te meten als functie van een magnetisch veld tot 9 Tesla en bepaalden de veldgeïnduceerde splitsing. "Metingen als deze zijn nuttig om excitonen te bestuderen, die op hun beurt de interactie tussen licht en materie van halfgeleiders bepalen, " legt Högele uit.

Het was al bekend dat excitonen zich in verschillende configuraties kunnen vormen. Naast heldere excitonen, die direct aan het licht koppelen, de koppeling van elektronen en gaten kan spin-donkere en momentum-donkere excitonen produceren. Tot nu toe, het was niet mogelijk om de handtekeningen die zijn waargenomen in emissiespectra definitief toe te wijzen aan deze verschillende excitonsoorten. In aanwezigheid van een magnetisch veld, echter, individuele emissiepieken vertonen karakteristieke spectrale splitsingen. "Deze splitsing kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen de verschillende soorten excitonen, " zegt Högele, "maar alleen als we het bijbehorende theoretische model hebben." Het LMU-team ontwikkelde een theorie om vanuit de eerste principes de spectrale splitsing te berekenen voor de verschillende soorten excitonen in monolaag en dubbellaags WSe ₂ onderworpen aan een magnetisch veld, en vergeleken hun theoretische voorspellingen met de experimentele gegevens.

De resultaten geven een beter begrip van de opto-elektronische eigenschappen van WSe ₂ en gerelateerde overgangsmetaal dichalcogeniden waarbij excitonen de primaire interface vertegenwoordigen voor licht om te interageren met materie op nanoschaal. Ultradunne lagen WSe ₂ dienen als testbed voor technologische exploitaties van licht-materie koppeling in opto-elektronische apparaten, waaronder fotodetectoren en emitters of fotovoltaïsche apparaten. "Deze ultradunne materialen zijn mechanisch flexibel en extreem compact, ", zegt Högele. Ze zijn ook potentieel levensvatbaar voor kwantumtechnologieën, omdat ze valleien hosten als kwantumvrijheidsgraden die kunnen dienen als qubits, de basiseenheden van informatieverwerking in kwantumcomputers.