Een team van onderzoekers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een eenvoudige methode ontwikkeld waarmee gewone halfgeleidende materialen kunnen worden omgezet in kwantummachines - superdunne apparaten die worden gekenmerkt door buitengewoon elektronisch gedrag. Een dergelijke vooruitgang kan een revolutie teweegbrengen in een aantal industrieën die streven naar energiezuinige elektronische systemen - en een platform bieden voor exotische nieuwe fysica.

De studie die de methode beschrijft, die 2D-lagen wolfraamdisulfide en wolfraamdiselenide op elkaar stapelt om een ​​materiaal met een ingewikkeld patroon te creëren, of superrooster, werd onlangs online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"Dit is een verbazingwekkende ontdekking omdat we deze halfgeleidende materialen niet als sterk op elkaar inwerkend beschouwden, " zei Feng Wang, een fysicus van de gecondenseerde materie bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley. "Nu heeft dit werk deze schijnbaar gewone halfgeleiders in de ruimte van kwantummaterialen gebracht."

Tweedimensionale (2-D) materialen, die slechts één atoom dik zijn, zijn als bouwstenen van nanoformaat die willekeurig kunnen worden gestapeld om kleine apparaten te vormen. Wanneer de roosters van twee 2D-materialen vergelijkbaar en goed uitgelijnd zijn, er kan zich een herhalend patroon vormen dat een moiré-superrooster wordt genoemd.

Het afgelopen decennium is onderzoekers hebben manieren bestudeerd om verschillende 2D-materialen te combineren, vaak beginnend met grafeen - een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om warmte en elektriciteit efficiënt te geleiden. Uit dit oeuvre, andere onderzoekers hadden ontdekt dat moiré-superroosters gevormd met grafeen exotische fysica vertonen, zoals supergeleiding wanneer de lagen precies in de juiste hoek zijn uitgelijnd.

De nieuwe studie, onder leiding van Wang, gebruikte 2D-monsters van halfgeleidende materialen - wolfraamdisulfide en wolfraamdiselenide - om aan te tonen dat de draaihoek tussen de lagen een "afstemknop" biedt om een ​​2D halfgeleidend systeem om te zetten in een exotisch kwantummateriaal met sterk op elkaar inwerkende elektronen.

Een nieuw rijk van de natuurkunde betreden

Co-lead auteurs Chenhao Jin, een postdoctoraal onderzoeker, en Emma Regan, een afgestudeerde student-onderzoeker, beiden werken onder Wang in de Ultrafast Nano-Optics Group van UC Berkeley, de wolfraamdisulfide- en wolfraamdiselenidemonsters vervaardigd met behulp van een op polymeer gebaseerde techniek om vlokken van de materialen op te nemen en over te brengen, elk met een diameter van slechts tientallen microns, in een stapel.

Ze hadden vergelijkbare monsters van de materialen gefabriceerd voor een eerdere studie, maar met de twee lagen gestapeld onder geen bepaalde hoek. Toen ze de optische absorptie van een nieuw wolfraamdisulfide- en wolfraamdiselenidemonster voor het huidige onderzoek maten, ze waren totaal verrast.

De absorptie van zichtbaar licht in een wolfraamdisulfide/wolfraamdiselenide-apparaat is het grootst wanneer het licht dezelfde energie heeft als het exciton van het systeem, een quasideeltje dat bestaat uit een elektron gebonden aan een gat dat gebruikelijk is in 2D-halfgeleiders. (Bij natuurkunde, een gat is een momenteel lege toestand die een elektron zou kunnen innemen.)

Voor licht in het energiebereik dat de onderzoekers overwogen, ze verwachtten één piek in het signaal te zien die overeenkwam met de energie van een exciton.

In plaats daarvan, ze ontdekten dat de oorspronkelijke piek die ze verwachtten te zien, was opgesplitst in drie verschillende pieken die drie verschillende excitontoestanden vertegenwoordigen.

Wat zou het aantal excitontoestanden in het wolfraamdisulfide/wolfraamapparaat kunnen hebben verhoogd van één naar drie? Was het de toevoeging van een moiré-superrooster?

Er achter komen, hun medewerkers Aiming Yan en Alex Zettl gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit op nanoschaal, om atomaire resolutiebeelden te maken van het wolfraamdisulfide/wolfraamdiselenide-apparaat om te controleren hoe de roosters van de materialen waren uitgelijnd.

De TEM-beelden bevestigden wat ze altijd al vermoedden:de materialen hadden inderdaad een moiré-superrooster gevormd. "We zagen mooie, herhalende patronen over het hele monster, "zei Regan. "Na het vergelijken van deze experimentele waarneming met een theoretisch model, we ontdekten dat het moiré-patroon periodiek een grote potentiële energie over het apparaat introduceert en daarom exotische kwantumverschijnselen zou kunnen introduceren."

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om te meten hoe dit nieuwe kwantumsysteem kan worden toegepast op opto-elektronica, die betrekking heeft op het gebruik van licht in elektronica; valleitronica, een gebied dat de grenzen van de wet van Moore zou kunnen verleggen door elektronische componenten te miniaturiseren; en supergeleiding, waardoor elektronen vrijwel zonder weerstand in apparaten kunnen stromen.