Wetenschap
Een nieuwe universele, op licht gebaseerde techniek om valleipolarisatie in bulkmaterialen te beheersen
Elektronen in vaste materialen kunnen slechts bepaalde energiewaarden aannemen. De toegestane energiebereiken worden 'banden' genoemd, en de ruimte ertussen, de verboden energieën, staat bekend als 'bandgaps'. Beiden vormen samen de "bandstructuur" van het materiaal, wat een uniek kenmerk is van elk specifiek materiaal.
Wanneer natuurkundigen de bandenstructuur in kaart brengen, zien ze meestal dat de resulterende curven op bergen en valleien lijken. In feite wordt de technische term voor een lokaal energiemaximum of -minimum in de banden een 'vallei' genoemd, en het veld dat bestudeert en exploiteert hoe elektronen in het materiaal van de ene vallei naar de andere overschakelen, wordt 'valleytronics' genoemd. P>
In standaard halfgeleiderelektronica is de elektrische lading van de elektronen de meest gebruikte eigenschap die wordt benut om informatie te coderen en te manipuleren. Maar deze deeltjes hebben andere eigenschappen die ook voor hetzelfde doel kunnen worden gebruikt, zoals de vallei waarin ze zich bevinden. Het afgelopen decennium was het belangrijkste doel van valleytronics het bereiken van de populatie in de controlevallei (ook bekend als valleipolarisatie) in materialen.
Een dergelijke prestatie zou kunnen worden gebruikt om klassieke en kwantumpoorten en -bits te creëren, iets dat de ontwikkeling van computers en kwantuminformatieverwerking echt zou kunnen stimuleren.
Eerdere pogingen brachten verschillende nadelen met zich mee. Het licht dat werd gebruikt om de polarisatie van de valleien te manipuleren en te veranderen, moest bijvoorbeeld resonant zijn; dat wil zeggen, de energie van de fotonen (de deeltjes die licht vormen) moest exact overeenkomen met de energie van de bandafstand van dat specifieke materiaal.
Elke kleine afwijking verminderde de efficiëntie van de methode, dus op voorwaarde dat elk materiaal zijn eigen bandafstanden heeft, leek het generaliseren van het voorgestelde mechanisme iets onhaalbaars. Bovendien was dit proces alleen bereikt voor monolaagstructuren (2D-materialen, slechts één atoom dik).
Deze vereiste belemmerde de praktische implementatie ervan, omdat monolagen doorgaans beperkt zijn in omvang en kwaliteit en moeilijk te ontwikkelen zijn.
Nu hebben ICFO-onderzoekers Igor Tyulnev, Julita Poborska en Dr. Lenard Vamos, onder leiding van prof. ICREA Jens Biegert, in samenwerking met onderzoekers van het Max-Born-Instituut, het Max-Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht en het Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid heeft een nieuwe universele methode gevonden om valleipolarisatie te induceren in centrosymmetrische bulkmaterialen.
De ontdekking, gepubliceerd in Nature , ontgrendelt de mogelijkheid om de valleipopulatie te controleren en te manipuleren zonder beperkt te worden door het specifiek gekozen materiaal.
Tegelijkertijd kan de methode worden gebruikt om een meer gedetailleerde karakterisering van kristallen en 2D-materialen te verkrijgen.
Valleipolarisatie in bulkmaterialen is mogelijk
Het avontuur begon met de experimentele groep onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Jens Biegert, die aanvankelijk experimenteel valleipolarisatie wilde produceren met behulp van hun specifieke methode in 2D-materialen, in navolging van wat theoretisch was bewezen in een eerder theoretisch artikel van Álvaro Jiménez , Rui Silva en Misha Ivanov.
Om het experiment op te zetten, werd de eerste meting geprobeerd op bulk-MoS2 (een bulkmateriaal gemaakt van vele op elkaar gestapelde monolagen) met het verrassende resultaat dat ze de signatuur van valleipolarisatie zagen. "Toen we aan dit project begonnen te werken, kregen we van onze theoretische medewerkers te horen dat het aantonen van valleipolarisatie in bulkmaterialen onmogelijk was", legt Poborska uit.
Het theoretische team merkt ook op dat hun model in het begin alleen geschikt was voor enkele 2D-lagen. "Op het eerste gezicht leek het erop dat het toevoegen van meer lagen de selectie van specifieke valleien in het monster zou belemmeren. Na de eerste experimentele resultaten hebben we de simulatie echter aangepast aan bulkmaterialen, en het valideerde de waarnemingen verrassend goed. Dat hebben we niet eens gedaan." probeer alles te passen. Het is gewoon zoals het eruit kwam", voegt prof. Misha Ivanov, de theoreticusleider, toe.
Uiteindelijk "bleek het dat je inderdaad bulkmaterialen die centraal symmetrisch zijn, kunt polariseren vanwege de symmetrieomstandigheden", besluit Poborska.
Zoals Igor Tyulnev, eerste auteur van het artikel, uitlegt:‘ons experiment bestond uit het creëren van een intense lichtpuls met een polarisatie die paste bij deze interne structuur. Het resultaat was het zogenaamde ‘klaverveld’, waarvan de symmetrie overeenkwam met de driehoekige sub-structuur. roosters die hetero-atomaire hexagonale materialen vormen."
Dit op symmetrie afgestemde sterke veld doorbreekt de ruimte- en tijdsymmetrie binnen het materiaal, en, nog belangrijker, de resulterende configuratie hangt af van de oriëntatie van het klaverbladveld ten opzichte van het materiaal. Daarom, "door simpelweg het invallende lichtveld te draaien, konden we de polarisatie van de valleien moduleren", concludeert Tyulnev, een belangrijke prestatie in het veld en een bevestiging van een nieuwe universele techniek die de elektronenvalleien in bulkmaterialen kan controleren en manipuleren.
Het experimentele proces
Het experiment kan in drie hoofdstappen worden uitgelegd:ten eerste, de synthese van het klaverbladveld; dan de karakterisering ervan; en ten slotte de daadwerkelijke productie van valleipolarisatie.
De onderzoekers benadrukken de ongelooflijk hoge precisie die het karakteriseringsproces vereiste, omdat het klaverbladveld niet uit slechts één maar uit twee coherent gecombineerde optische velden bestaat. Eén ervan moest in de ene richting circulair gepolariseerd zijn, en de andere moest de tweede harmonische van de eerste straal zijn, gepolariseerd met de tegenovergestelde handigheid. Ze legden deze velden over elkaar heen, zodat de totale polarisatie in de tijd de gewenste klavervorm volgde.
Drie jaar na de eerste experimentele pogingen is Igor Tyulnev enthousiast over de recente Natuur publicatie. De verschijning in zo'n prestigieus tijdschrift erkent de nieuwe universele methode, die, zoals hij stelt, "niet alleen kan worden gebruikt om de eigenschappen van een grote verscheidenheid aan chemische soorten te controleren, maar ook om kristallen en 2D-materialen te karakteriseren."
Zoals prof. ICREA van ICFO Jens Biegert opmerkt:"Onze methode kan een belangrijk ingrediënt bieden voor het ontwikkelen van energie-efficiënte materialen voor efficiënte informatieopslag en snel schakelen. Dit komt tegemoet aan de dringende behoefte aan apparaten met een laag energieverbruik en verhoogde rekensnelheid. Ik kan niet beloven dat wat we hebben geboden DE oplossing is, maar het is waarschijnlijk één oplossing voor deze grote uitdaging."