Kleine materialen bevatten grote mysteries, de oplossingen die kunnen leiden tot elektronica van de volgende generatie. Een internationale samenwerking onder leiding van in Japan gevestigde onderzoekers heeft de whodunit van cryptische boventoonsignalen opgelost in een analyse van molybdeendiselenide, een atomair dun kristalrooster met gewenste eigenschappen die uniek zijn vanwege zijn omvangrijkere driedimensionale vorm.

Ze publiceerden hun resultaten op 25 juli in Nature Communications .

De verbinding behoort tot een familie van vergelijkbare tweedimensionale halfgeleiders die overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) monolagen worden genoemd, die allemaal elektronische bandstructuren hebben die zogenaamde valleien bevatten. TMD-roosters zijn georganiseerd als zeshoeken, met de bijbehorende golfvector, bekend als k-ruimte, langs de zijkant. Het zijmiddelpunt van de k-ruimte staat bekend als het "M-punt" en de zes hoeken als "K (-K) punten."

De dalen zijn de dalen en stijgen van de elektronische band op de hoeken van de zeshoeken, waar energie- of informatiedragende deeltjes kunnen bewegen om het materiaal in actie te brengen. De intervalactiviteiten, vooral in verband met elektronenverstrooiing, zijn echter ongrijpbaar gebleven. In dit proces zorgen fononen, of energie-eenheden die zich manifesteren als trillingen, ervoor dat de elektronen zich met ultrahoge snelheid verspreiden en in de intervalruimte overgaan in toestanden.

Deze polarisatie in de vallei, als het kan worden gecontroleerd om specifieke eigenschappen te induceren of te verminderen, maakt TMD's de meest veelbelovende kandidaat voor geavanceerde technologieën, volgens co-corresponderende auteur Soungmin Bae, postdoctoraal onderzoeker in het Laboratory for Materials and Structures, Tokyo Institute of Technology. De combinatie van valley en het potentieel voor elektronica bepaalt de naam van dit nicheveld:valleytronics.

"Om het fundamentele begrip van ultrasnelle dynamiek geassocieerd met fonon-gemedieerde intervalleyverstrooiingsprocessen vast te stellen, hebben we pompsondespectroscopie uitgevoerd met behulp van sub-10 femtoseconde - 10 quadriljoenste van een seconde - ultrakorte gepulseerde lasers en interessante boventoonsignalen van akoestische fononen gevonden in de optische modulatie," zei Bae. "De signalen waren al bekend in de TMD-gemeenschap, maar de oorsprong was onduidelijk, dus onze oorspronkelijke vraag die we wilden beantwoorden was:'waarom nemen we zulke boventoonsignalen waar?'"

Pump-probe spectroscopie omvat het bestralen van een monster van de TMD met een ultrakorte laserpuls in twee delen. De pomp is een sterke straal die de TMD bekrachtigt, waardoor het systeem oscilleert, zoals het gooien van een steen in een vijver om concentrische golven te produceren. De sonde is een zwakkere straal die de temporele evolutie van de geïnduceerde oscillaties volgt - de golven van de roostertrillingen, ook bekend als fononen - via veranderingen in bepaalde optische constanten van het systeem, zoals de hoeveelheid absorptie en reflectie.

De onderzoekers zagen verschillende signalen, gevisualiseerd als optische modulaties, in zowel even als oneven orden van fononoscillaties van de monolaag TMD. Ze analyseerden de symmetrie van de fononen en gebruikten eerste-principeberekeningen - of door supercomputers aangedreven beoordelingen die de kwantummechanische toestand en dynamiek van elke kern en elk elektron in het systeem beschrijven, waaruit details van specifieke componenten kunnen worden geëxtraheerd - om te onthullen dat alleen de longitudinale akoestische fonon op het K-punt zou het waargenomen signaal van oneven-orde kunnen produceren, omdat het het laserlicht asymmetrisch moduleert, vergeleken met de symmetrische reflectie van het M-punt fonon, die alleen even boventonen produceert.

"K-punt longitudinale akoestische fononen zijn verantwoordelijk voor ultrasnelle intervalleyverstrooiing in monolaag molybdeendiselenide", zei co-corresponderende auteur Jun Takeda, professor aan de Graduate School of Engineering Science van Yokohama National University. "Normaal gesproken konden fononen met K-punt de optische eigenschappen niet moduleren vanwege de grote mismatch tussen de golfvector - de richting en grootte - van het invallende licht en die van de fononen."

Takeda zei dat in TMD's de hoge symmetrie van het tweedimensionale kristalrooster de K-punt akoestische fononen echter in staat stelt de optische respons te moduleren en signalen op meerdere frequenties te genereren.

"Dit werk bewijst het belang van een gecombineerde benadering van ultrasnelle spectroscopie met symmetrie-analyse en eerste-principeberekeningen voor het onthullen van de onderliggende fysica van het intervalleyverstrooiingsproces in valleytronic-materialen", zei co-corresponderende auteur Ikufumi Katayama, professor aan de Yokohama National University's Graduate School of Technische wetenschappen.

"Vervolgens willen we deze benaderingen uitbreiden naar andere exotische tweedimensionale materiaalsystemen voor toekomstige elektronische en valleytronic-toepassingen en manieren vinden om de optische en fysieke eigenschappen op ultrasnelle tijdschalen te manipuleren." + Verder verkennen

Ultrasnelle dynamiek van topologisch materiaal onder druk onderzocht