De term molybdeendisulfide klinkt misschien bekend in de oren van sommige automobilisten en monteurs. Geen wonder:de stof, ontdekt door de Amerikaanse chemicus Alfred Sonntag in de jaren veertig, wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt als hoogwaardig smeermiddel in motoren en turbines, maar ook voor bouten en schroeven.

Dit komt door de speciale chemische structuur van deze vaste stof, waarvan de afzonderlijke materiaallagen gemakkelijk ten opzichte van elkaar verplaatsbaar zijn. Molybdeendisulfide (chemisch gezien MoS₂ ) smeert niet alleen goed, maar het is ook mogelijk om een ​​enkele atomaire laag van dit materiaal te exfoliëren of synthetisch op wafelschaal te laten groeien.

De gecontroleerde isolatie van een MoS₂ monolayer werd nog maar een paar jaar geleden gerealiseerd, maar wordt nu al beschouwd als een doorbraak in de materiaalwetenschap met een enorm technologisch potentieel. Het Empa-team wil nu met precies deze klasse materialen werken.

De gelaagde structuur van individuele atomaire lagen maakt dit materiaal interessant voor natuurkundigen die op zoek zijn naar basismaterialen voor de volgende generatie nanocomputers. MoS₂ – en zijn chemische verwanten, overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) genoemd – zijn een van de belangrijkste ‘vallende sterren’ in een hele reeks tweedimensionale (2D) materialen.

TMD's zijn 2D-halfgeleiders en hebben een directe bandafstand, maar alleen als een enkele laag, waardoor ze bijzonder aantrekkelijk zijn voor ultieme geminiaturiseerde geïntegreerde schakelingen of optische detectoren. De robuuste kwantummechanische eigenschappen van 2D-materialen worden ook intensief onderzocht voor gebruik in kwantummetrologie, kwantumcryptografie en kwantuminformatietechnologie.

Maar niet alleen het basismateriaal is van belang, maar vooral ook het vermogen om defecten daarin te beheersen:analoog aan de chemische dotering van ‘klassieke’ halfgeleiders in geïntegreerde schakelingen of vreemde ionen in vastestoflasers, zijn atomaire defecten ‘als de kers op de taart’. cake", vooral in 2D-materialen, zei Schuler.

Atomisch dunne kwantumcomputers

De Empa-onderzoeker wil atomaire defecten in TMD's karakteriseren met behulp van een nieuw type instrument en hun geschiktheid als zogenaamde kwantumemitters onderzoeken. Kwantumzenders vormen de interface tussen twee werelden:elektronenspin – de kwantummechanische analoog van het elektronenkoppel – die geschikt is voor het verwerken van kwantuminformatie, en fotonen, dat wil zeggen lichtdeeltjes, die kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie zonder verlies over lange afstanden te verzenden. .

2D-materialen bieden het grote voordeel dat de relevante energieschalen veel groter zijn dan voor 3D-materialen, dus de verwachting is dat de technologie boven cryogene omgevingen kan worden gebruikt – idealiter zelfs bij kamertemperatuur. Bovendien moeten de defecten zich op het oppervlak van het 2D-materiaal bevinden, waardoor ze veel gemakkelijker te vinden en te manipuleren zijn.

Maar eerst de gebreken in de tweedimensionale MoS₂ laag moeten worden gedetecteerd en hun elektronische en optische eigenschappen moeten nauwkeurig worden onderzocht. Nauwkeurig betekent in dit geval dat de onderzochte locatie wordt verkend tot op één angstrom nauwkeurig. Ter vergelijking:1 Angström is voor een meter wat 4 cm is voor de afstand van de aarde tot de maan (400.000 km).

En de momentopname die wordt gebruikt om de elektronische excitatie van de kwantumdot vast te leggen moet nauwkeurig zijn tot op één picoseconde (ps) – 1 ps is een fractie van een seconde die net zo klein is als twee dagen vergeleken met de leeftijd van planeet Aarde (5 miljard jaar). ).

Deze ultrakorte en atomair nauwkeurige metingen geven vervolgens een zeer gedetailleerd beeld van welke dynamische processen er plaatsvinden op atomaire schaal en welke factoren deze processen beïnvloeden.

Een apparaat gemaakt uit twee helften

Het apparaat waarin de experimenten zullen plaatsvinden, staat al in een ruimte in de kelder van Empa's laboratoriumgebouw in Dübendorf, waar de vloer het meest stabiel is. "We hebben meer dan anderhalf jaar aan voorbereidings- en ontwikkelingswerk geïnvesteerd om onze experimentele opstelling te voltooien", legt Bruno Schuler uit.

"In oktober 2022 hebben we de twee helften van ons systeem met elkaar verbonden en konden we voor het eerst door lichtgolven geïnduceerde stromen meten. Het principe werkt. Een enorme mijlpaal in het project."

De twee helften waarmee Schulers team nu gaat werken zijn enerzijds een scanning tunneling microscoop (STM). Een ultradunne punt wordt gebruikt om het atoomoppervlak van het monster te scannen. De wetenschappers zullen de punt op een defectlocatie plaatsen, d.w.z. een vacature of een "vreemd" atoom in de structuur.

Dan komt de tweede helft van het systeem, dat Schulers collega Jonas Allerbeck heeft opgezet, in beeld:een infraroodlaser van 50 watt zendt ultrakorte laserpulsen naar een niet-lineair lithiumniobaatkristal. Dit genereert een fasestabiele elektromagnetische puls in het terahertz-frequentiebereik. Deze puls is slechts een enkele lichtoscillatie lang en kan met speciale optica worden gesplitst in een paar pomp- en sondepulsen, die elkaar allebei met variabele vertraging opvolgen en de elektronendynamiek op stroboscopische wijze kunnen meten.

Een elektron 'springt' op de defectlocatie

De twee pulsen worden vervolgens naar de STM gestuurd en naar de probetip gestuurd. De eerste puls maakt een elektron los van de punt, dat op de defectplaats van de tweedimensionale MoS "springt"₂ laag en exciteert daar elektronen. "Dit kan een elektrische lading zijn, een spin-excitatie, een roostertrilling of een elektron-gatpaar dat we daar creëren", legt Schuler uit.

"Met de tweede puls kijken we een paar picoseconden later hoe onze defectlocatie reageerde op de excitatiepuls en daarmee kunnen we decoherentieprocessen en energieoverdracht naar het substraat bestuderen."

Op deze manier is Schuler een van de weinige specialisten ter wereld die picoseconde-korte tijdresolutie combineert met een methode die individuele atomen kan detecteren. Het team maakt gebruik van de intrinsieke lokalisatie van toestanden in het 2D-materiaalsysteem om excitaties lang genoeg op één plek te houden om te worden gedetecteerd.

"De ultrasnelle lightwave scanning-sondemicroscoop maakt fascinerende nieuwe inzichten in kwantummechanische processen op atomaire schaal mogelijk, en 2D-materialen zijn een uniek materiaalplatform om deze toestanden op een gecontroleerde manier te creëren", zegt de Empa-onderzoeker.

Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie