Een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie door Sufei Shi, assistent-professor chemische en biologische technologie bij Rensselaer, vergroot ons begrip van hoe licht interageert met atomair dunne halfgeleiders en creëert unieke excitonische complexe deeltjes, meerdere elektronen, en gaten sterk met elkaar verbonden. Deze deeltjes hebben een nieuwe kwantum vrijheidsgraad, genaamd "valley spin". De "valley spin" is vergelijkbaar met de spin van elektronen, die op grote schaal is gebruikt in informatieopslag, zoals harde schijven, en ook een veelbelovende kandidaat is voor kwantumcomputing.

De krant, getiteld "Het onthullen van de biexciton- en trion-excitoncomplexen in BN ingekapseld WSe2, " werd gepubliceerd op 13 september, 2018, editie van Natuurcommunicatie . De resultaten van dit onderzoek kunnen leiden tot nieuwe toepassingen in elektronische en opto-elektronische apparaten, zoals het oogsten van zonne-energie, nieuwe soorten lasers, en kwantumdetectie.

Shi's onderzoek richt zich op laagdimensionale kwantummaterialen en hun kwantumeffecten, met een bijzondere interesse in materialen met sterke licht-materie interacties. Deze materialen omvatten grafeen, overgangsmetaal dichacogeniden (TMD's), zoals wolfraamdiselenide (WSe2), en topologische isolatoren.

TMD's vertegenwoordigen een nieuwe klasse van atomair dunne halfgeleiders met superieure optische en opto-elektronische eigenschappen. Optische excitatie op de tweedimensionale enkellaagse TMD's zal een sterk gebonden elektron-gatpaar genereren, een exciton genaamd, in plaats van vrij bewegende elektronen en gaten zoals in traditionele bulkhalfgeleiders. Dit komt door de gigantische bindingsenergie in monolaag TMD's, die ordes van grootte groter is dan die van conventionele halfgeleiders. Als resultaat, het exciton kan overleven bij kamertemperatuur en kan dus worden gebruikt voor toepassing van excitonen.

Naarmate de dichtheid van het exciton toeneemt, meer elektronen en gaten paren samen, het vormen van vier-deeltjes en zelfs vijf-deeltjes excitonische complexen. Een begrip van de veeldeeltjes-excitonische complexen geeft niet alleen aanleiding tot een fundamenteel begrip van de interactie tussen licht en materie in twee dimensies, het leidt ook tot nieuwe toepassingen, omdat de veeldeeltjes-excitonische complexen de "valley spin"-eigenschappen beter behouden dan het exciton. Echter, ondanks recente ontwikkelingen in het begrip van excitonen en trionen in TMD's, zei Shi, een ondubbelzinnige maatstaf voor de biexciton-bindende energie is ongrijpbaar gebleven.

"Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, we hebben de ware bi-excitontoestand onthuld, een uniek vierdeeltjescomplex dat reageert op licht, " zei Shi. "We hebben ook de aard van de geladen bi-exciton onthuld, een vijfdeeltjescomplex."

Bij Rensselaer, Shi's team heeft een manier ontwikkeld om een ​​extreem schoon monster te bouwen om deze unieke interactie tussen licht en materie te onthullen. Het apparaat is gebouwd door meerdere atomair dunne materialen op elkaar te stapelen, inclusief grafeen, boornitride (BN), en WSe2, door van der Waals (vdW) interactie, vertegenwoordigen de state-of-the-art fabricage techniek van tweedimensionale materialen.

Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking met het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahasee, Florida, en onderzoekers van het National Institute for Materials Science in Japan, evenals met Shengbai Zhang, de Kodosky Constellation Professor bij de afdeling Natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie in Rensselaer, wiens werk een cruciale rol speelde bij het ontwikkelen van een theoretisch begrip van de biexciton.

De resultaten van dit onderzoek kunnen mogelijk leiden tot robuuste optische fysica met veel deeltjes, en illustreren mogelijke nieuwe toepassingen op basis van 2D-halfgeleiders, zei Shi. Shi heeft financiering ontvangen van het Air Force Office of Scientific Research. Zhang werd ondersteund door het ministerie van Energie, Bureau van Wetenschap.

Het onderzoek was onlangs ook te zien in Natuur Nanotechnologie .