Een nieuw fabricageproces in 'sandwichstijl' waarbij een halfgeleider van slechts één atoom dun tussen twee spiegels wordt geplaatst, heeft Australische onderzoekers in staat gesteld een belangrijke stap te zetten in de richting van ultra-lage energie-elektronica op basis van de licht-materie hybride deeltjes exciton-polaritonen.

De studie, geleid door de Australian National University, robuust aangetoond, dissipatieloze verspreiding van een exciton gemengd met licht dat tussen de hoogwaardige spiegels stuitert.

Conventionele elektronica is afhankelijk van stromende elektronen, of 'gaten' (een gat is de afwezigheid van een elektron, dwz een positief geladen quasideeltje).

Echter, een belangrijk gebied van toekomstige elektronica richt zich in plaats daarvan op het gebruik van excitonen (een elektron gebonden aan een gat), omdat, in principe, ze zouden in een halfgeleider kunnen stromen zonder energie te verliezen door een collectieve superfluïde toestand te vormen. En excitonen in roman, actief bestudeerde atomair dunne halfgeleiders zijn stabiel bij kamertemperatuur.

Atomair dunne halfgeleiders zijn dus een veelbelovende klasse van materialen voor energiezuinige toepassingen zoals nieuwe transistors en sensoren. Echter, juist omdat ze zo dun zijn, hun eigenschappen, inclusief de stroom van excitonen, sterk aangetast zijn door wanorde of onvolkomenheden, die tijdens de fabricage kunnen worden ingevoerd.

Het door de ANU geleide FLEET-team - met collega's van de Swinburne University en FLEET Partner-instelling Wroclaw University - heeft de excitonen in een atomair dun materiaal aan licht gekoppeld om voor het eerst hun langeafstandspropagatie aan te tonen zonder enige dissipatie van energie, op kamertemperatuur.

Wanneer een exciton (materie) bindt met een foton (licht), het vormt een nieuw hybride deeltje - een exciton-polariton. Door licht te vangen tussen twee parallelle hoogwaardige spiegels in een optische microholte, kan dit gebeuren.

In de nieuwe studie een nieuw 'sandwich-stijl' fabricageproces voor de optische microholte stelde de onderzoekers in staat om schade aan de atomair dunne halfgeleider te minimaliseren en de interactie tussen de excitonen en de fotonen te maximaliseren. De exciton-polaritonen die in deze structuur werden gevormd, konden zich zonder energiedissipatie over tientallen micrometers voortplanten, de typische schaal van een elektronische microchip.

Microcaviteitsconstructie is de sleutel

Een hoogwaardige optische microcaviteit die de lange levensduur van de lichte (fotonische) component van exciton-polaritonen garandeert, is de sleutel tot deze waarnemingen.

Uit de studie bleek dat exciton-polaritonen opmerkelijk stabiel kunnen worden gemaakt als de microholte op een bepaalde manier wordt geconstrueerd, het vermijden van schade aan de fragiele halfgeleider die tijdens de fabricage tussen de spiegels is ingeklemd.

"De keuze van het atomair dunne materiaal waarin de excitonen reizen is veel minder belangrijk, ", zegt hoofdauteur en corresponderend auteur Matthias Wurdack.

"We ontdekten dat de constructie van die microholte de sleutel was, " zegt Matthias, "En hoewel we in dit specifieke experiment wolfraamsulfide (WS2) gebruikten, we geloven dat elk ander atomair dun TMDC-materiaal ook zou werken."

(Overgangsmetaal dichalcogeniden zijn uitstekende gastheren voor excitonen, het hosten van excitonen die stabiel zijn bij kamertemperatuur en sterk interageren met licht).

Het team bouwde de microholte door alle componenten één voor één te stapelen. Eerst, een onderste spiegel van de microholte is vervaardigd, dan wordt er een halfgeleiderlaag op geplaatst, en dan wordt de microholte voltooid door er nog een spiegel bovenop te plaatsen. Kritisch, het team heeft de bovenste spiegelstructuur niet rechtstreeks op de notoir fragiele atomair dunne halfgeleider gedeponeerd, die gemakkelijk wordt beschadigd tijdens elk materiaalafzettingsproces.

"In plaats daarvan, wij fabriceren de gehele bovenbouw separaat, en plaats het vervolgens mechanisch op de halfgeleider, zoals het maken van een boterham, ' zegt Matthias.

"Zo voorkomen we schade aan de atomair dunne halfgeleider, en het behoud van de eigenschappen van zijn excitonen."

belangrijk, de onderzoekers optimaliseerden deze sandwiching-methode om de holte erg kort te maken, die de exciton-foton-interactie maximaliseerde.

"We hebben ook geprofiteerd van een beetje serendipiteit, "zegt Matthias. "Een fabricagefout die uiteindelijk de sleutel tot ons succes werd!"

Het toevallige 'ongeluk' kwam in de vorm van een luchtspleet tussen de twee spiegels, waardoor ze niet strikt parallel zijn.

Deze wig in de microholte creëert een spanning/potentiaal 'helling' voor de exciton-polaritonen, waarbij de deeltjes langs de helling omhoog of omlaag bewegen.

De onderzoekers ontdekten dat een deel van de exciton-polaritonen reizen met behoud van totale (potentiële en kinetische) energie, zowel de helling op als de helling af. Reizend langs de helling, ze zetten hun potentiële energie om in een gelijke hoeveelheid kinetische energie, en vice versa.

Dat perfecte behoud van totale energie betekent dat er geen energie verloren gaat aan warmte (door 'wrijving'), die signaleert 'ballistisch' of dissipatieloos transport voor polaritonen. Hoewel de polaritonen in deze studie geen superfluïde vormen, de afwezigheid van dissipatie wordt bereikt omdat alle verstrooiingsprocessen die leiden tot energieverlies worden onderdrukt.

"Deze demonstratie, Voor de eerste keer, van ballistisch transport van polaritonen bij kamertemperatuur in atomair dunne TMDC's is een belangrijke stap in de richting van de toekomst, op excitonen gebaseerde elektronica met ultralage energie, ", zegt groepsleider prof. Elena Ostrovskaya (ANU).

Naast het creëren van de potentiële "helling, "Datzelfde fabricageongeval creëerde een potentiële bron voor exciton-polaritonen. Hierdoor konden de onderzoekers de reizende exciton-polaritonen in de put vangen en accumuleren - een essentiële eerste stap om ze op een microchip te vangen en te leiden."

Langeafstand, kamertemperatuur stroom van exciton-polaritonen

Verder, de onderzoekers bevestigden dat exciton-polaritons zich tientallen micrometers kunnen voortplanten in de atomair dunne halfgeleider (gemakkelijk ver genoeg voor functionele elektronica), zonder verstrooiing op materiaaldefecten. Dit in tegenstelling tot excitonen in deze materialen, waarvan de reislengte door deze gebreken drastisch wordt verminderd.

Bovendien, de exciton-polaritonen konden hun intrinsieke coherentie behouden (correlatie tussen signaal op verschillende punten in ruimte en tijd), wat een goed voorteken is voor hun potentieel als informatiedragers.

"Deze lange afstand, coherent transport werd bereikt bij kamertemperatuur, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van praktische toepassingen van atomair dunne halfgeleiders", zegt Matthias Wurdack.

Als toekomstige excitonische apparaten levensvatbaar moeten zijn, energiezuinig alternatief voor conventionele elektronische apparaten, ze moeten kunnen werken bij kamertemperatuur, zonder de noodzaak van energie-intensieve koeling.

"In feite, niet intuïtief, onze berekeningen laten zien dat de voortplantingslengte langer wordt bij hogere temperaturen, wat belangrijk is voor technologische toepassingen, ' zei Matthias.

"Motionele vernauwing, ballistisch transport, en het vangen van exciton-polaritonen bij kamertemperatuur in een atomair dunne halfgeleider" werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie in september 2021.