Onderzoekers bestuderen de dynamiek van excitonen met een ongekende resolutie

Schematische illustraties van excitondynamiek in tweedimensionale materialen. een Time-resolved STM (TR-STM) opstelling voor het meten van draaggolfdynamica in TMDC’s. b Bandstructuur die het mechanisme toont om excitonen door STM te detecteren. De richting van de bandbuiging hangt af van de voorspanning die wordt aangelegd tussen de STM-tip en het monster. c Schematische structuur van het time-resolved-multiprobe STM-systeem dat we hebben ontwikkeld. BS-bundelsplitser, PBS-gepolariseerde bundelsplitser, OPO optische parametrische oscillator, FR Faraday-rotator, EOM elektro-optisch modulatie-element (zie aanvullende figuur 1 voor details). Credit: npj 2D-materialen en toepassingen (2022). DOI: 10.1038/s41699-022-00345-1

Toekomstige optische communicatie die veel betrouwbaarder en sneller is dan wat tegenwoordig algemeen beschikbaar is, vereist nieuwe technologie. Moderne communicatie is gebaseerd op ladingsoverdracht, wat bij bepaalde data-intensieve toepassingen tot grote transmissieverliezen kan leiden. Excitons zijn alternatieven, maar ze worden geconfronteerd met technische uitdagingen voor een brede implementatie.

Nu hebben onderzoekers uit Japan een kritiek knelpunt overwonnen dat aanleiding zou kunnen geven tot ultrasnelle optische communicatietechnologie op basis van excitonen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in npj 2D-materialen en toepassingen

Onderzoekers zijn enthousiast over het gebruik van excitonen – assemblages van gebonden elektronen en gaten – voor optische communicatie van terabits per seconde. Helaas sluit snelle excitondissociatie bij kamertemperatuur in conventionele driedimensionale halfgeleiders directe praktische toepassingen uit. Atomair dunne gelaagde tweedimensionale materialen (transitiemetaaldichalcogeniden, TMDC’s) bieden echter bepaalde voordelen.

In TMDC’s kunnen excitonen bijvoorbeeld stabiel zijn bij kamertemperatuur en lange afstanden afleggen. Lokale defecten op ultrakleine schaal zijn onvermijdelijk in TMDC’s, maar kunnen zelfs voordelig zijn als onderzoekers de rol van dergelijke defecten op de dynamiek van excitontransport en dus de eigenschappen van op TMDC gebaseerde apparaten kunnen begrijpen.

Het begrijpen van de dynamiek op nanoschaal van excitonen in TMDC’s zal helpen bij het beantwoorden van dergelijke vragen. “Veelgebruikte technologieën hebben onvoldoende resolutie”, legt professor Hiroyuki Mogi, hoofdauteur uit, “maar onze scanning tunneling microscopie-aanpak verandert dit. Om de beeldresolutie te optimaliseren, hebben we een biasspanning toegepast op een manier die de onderliggende excitonen dissocieert, met een resolutie van enkele nanometers.”

De onderzoekers richtten zich op hoe nanostructuren – zoals korrelgrenzen en rimpelingen – in TMDC’s de excitondynamiek moduleerden. Een hoogtepunt van het onderzoek is dat korrelgrenzen overeenkwamen met verbeterde exciton-recombinatie binnen ~ 8 nanometer. Een ander hoogtepunt is dat rimpelingen overeenkwamen met verminderde excitonbindingsenergie, en kleinere rimpelingen kwamen overeen met een langere levensduur van het exciton dan grotere rimpelingen. Deze resultaten bevestigen theoretische voorspellingen die eerdere onderzoekers niet experimenteel konden verifiëren.

“De ruimtelijke resolutie van 2,5 nanometer van onze techniek is baanbrekend”, zegt professor Hidemi Shigekawa, senior auteur. “Bij deze resolutie hebben we bevestigd dat in het wolfraamdiselenidegebied de snelheid van exciton-excitonannihilatie 0,10 ± 0,02 vierkante centimeter per seconde was en werd gemoduleerd door lokale nanostructuren.”

Op basis van het hier beschreven onderzoek zullen excitonen een essentieel hulpmiddel worden om veel huidige barrières voor communicatie op afstand weg te nemen. In de toekomst zal dit naar verwachting de real-life toepassingen van geavanceerde optische communicatie uitbreiden, zoals naadloze zakelijke en financiële gegevensuitwisseling die operaties versnelt, snellere zoek- en reddingsoperaties op basis van kunstmatige intelligentie-beeldverwerking van dronegegevens in de lucht en veiligere voertuigen zonder bestuurder.