Een nieuw hulpmiddel dat licht gebruikt om de elektronische structuren van kristallen in kaart te brengen, zou de mogelijkheden van opkomende kwantummaterialen kunnen onthullen en de weg vrijmaken voor geavanceerde energietechnologieën en kwantumcomputers. volgens onderzoekers van de Universiteit van Michigan, Universiteit van Regensburg en Universiteit van Marburg.

Een paper over het werk is gepubliceerd in Wetenschap .

Toepassingen zijn onder meer led-verlichting, zonnecellen en kunstmatige fotosynthese.

"Kwantummaterialen kunnen een impact hebben die veel verder gaat dan kwantumcomputers, " zei Mackillo Kira, hoogleraar elektrotechniek en informatica aan de Universiteit van Michigan, die de theoretische kant van de nieuwe studie leidde. "Als je kwantumeigenschappen goed optimaliseert, je kunt 100% efficiëntie krijgen voor lichtabsorptie."

Op silicium gebaseerde zonnecellen worden nu al de goedkoopste vorm van elektriciteit, hoewel hun omzettingsrendement van zonlicht naar elektriciteit vrij laag is, ongeveer 30%. Opkomende "2-D" halfgeleiders, die bestaan ​​uit een enkele laag kristal, zou dat veel beter kunnen doen - mogelijk tot 100% van het zonlicht gebruiken. Ze zouden kwantumcomputing ook kunnen verhogen tot kamertemperatuur ten opzichte van de machines die tot nu toe bijna absoluut nul waren.

"Nieuwe kwantummaterialen worden nu sneller dan ooit ontdekt, " zei Rupert Huber, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg in Duitsland, die het experimentele werk leidde. "Door zulke lagen eenvoudig onder variabele draaihoeken op elkaar te stapelen, en met een ruime keuze aan materialen, wetenschappers kunnen nu kunstmatige vaste stoffen maken met werkelijk ongekende eigenschappen."

Het vermogen om deze eigenschappen tot op de atomen in kaart te brengen, zou kunnen helpen het proces van het ontwerpen van materialen met de juiste kwantumstructuren te stroomlijnen. Maar deze ultradunne materialen zijn veel kleiner en rommeliger dan eerdere kristallen, en de oude analysemethoden werken niet. Nutsvoorzieningen, Met de nieuwe lasermethode kunnen 2D-materialen worden gemeten bij kamertemperatuur en druk.

De meetbare operaties omvatten processen die essentieel zijn voor zonnecellen, lasers en optisch aangedreven kwantumcomputers. Eigenlijk, elektronen knallen tussen een "grondtoestand, " waarin ze niet kunnen reizen, en staten in de "geleidingsband van de halfgeleider, " waarin ze vrij door de ruimte kunnen bewegen. Dit doen ze door licht te absorberen en uit te zenden.

De kwantummapping-methode maakt gebruik van een 100 femtoseconde (100 quadriljoenste van een seconde) puls van rood laserlicht om elektronen uit de grondtoestand en in de geleidingsband te laten springen. Vervolgens worden de elektronen geraakt met een tweede puls van infrarood licht. Dit duwt ze zodat ze op en neer oscilleren in een energie "vallei" in de geleidingsband, een beetje zoals skateboarders in een halfpipe.

Het team gebruikt de dubbele golf/deeltjes-aard van elektronen om een ​​staand golfpatroon te creëren dat eruitziet als een kam. Ze ontdekten dat wanneer de piek van deze elektronenkam overlapt met de bandstructuur van het materiaal - de kwantumstructuur - elektronen intens licht uitzenden. Die krachtige lichtemissie langs, met de smalle breedte van de kamlijnen, hielp bij het maken van een foto die zo scherp was dat onderzoekers het superresolutie noemen.

Door die precieze locatie-informatie te combineren met de frequentie van het licht, het team was in staat om de bandstructuur van de 2-D halfgeleider wolfraam diselenide in kaart te brengen. Niet alleen dat, maar ze konden ook het orbitale impulsmoment van elk elektron aflezen door de manier waarop de voorkant van de lichtgolf in de ruimte draaide. Het orbitaal impulsmoment van een elektron manipuleren, ook wel pseudospin genoemd, is een veelbelovende weg voor het opslaan en verwerken van kwantuminformatie.

In wolfraamdiselenide, het baanimpulsmoment identificeert welke van twee verschillende "dalen" een elektron bezet. De berichten die de elektronen uitzenden, kunnen onderzoekers niet alleen laten zien in welke vallei het elektron zich bevond, maar ook hoe het landschap van die vallei eruitziet en hoe ver de valleien uit elkaar liggen, die de belangrijkste elementen zijn die nodig zijn om nieuwe op halfgeleiders gebaseerde kwantumapparaten te ontwerpen.

Bijvoorbeeld, toen het team de laser gebruikte om elektronen langs de zijkant van de ene vallei te duwen totdat ze in de andere vielen, de elektronen straalden licht uit op dat druppelpunt, te. Dat licht geeft aanwijzingen over de diepten van de valleien en de hoogte van de richel ertussen. Met dit soort informatie onderzoekers kunnen erachter komen hoe het materiaal voor verschillende doeleinden zou werken.

Het blad is getiteld, "Superresolutie lichtgolftomografie van elektronische banden in kwantummaterialen."