Onderzoekers slagen erin twee soorten elektron-gat-paren te koppelen

Kleurenkaart van de berekende absorptie Im(χ) als functie van elektrisch veld F_z. Credit: Fysieke beoordelingsbrieven (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.107401

Tweedimensionale Van der Waals-materialen staan ​​al geruime tijd centraal in het werk van tal van onderzoeksgroepen. Deze structuren, die slechts een paar atoomlagen dik zijn, worden in het laboratorium geproduceerd door atoomdikke lagen van verschillende materialen te combineren (in een proces dat ‘atomaire Lego’ wordt genoemd). Door interacties tussen de gestapelde lagen kunnen de heterostructuren eigenschappen vertonen die de afzonderlijke bestanddelen missen.

Tweelaags molybdeendisulfide is zo’n van der Waals-materiaal, waarin elektronen kunnen worden geëxciteerd met behulp van een geschikte experimentele opstelling. Deze negatief geladen deeltjes verlaten dan hun positie in de valentieband, laten een positief geladen gat achter en gaan de geleidingsband binnen. Gezien de verschillende ladingen van elektronen en gaten, worden de twee tot elkaar aangetrokken en vormen ze wat bekend staat als een quasideeltje. Dit laatste wordt ook wel een elektron-gatpaar of exciton genoemd en kan vrij in het materiaal bewegen.

In tweelaags molybdeendisulfide produceert excitatie met licht twee verschillende soorten elektron-gatparen: intralaagparen, waarbij het elektron en het gat zich in dezelfde laag van het materiaal bevinden, en tussenlaagparen, waarvan het gat en elektron zich in verschillende lagen en zijn daardoor ruimtelijk van elkaar gescheiden.

Deze twee typen elektron-gatparen hebben verschillende eigenschappen: Paren tussen de lagen interageren sterk met licht, met andere woorden, ze gloeien heel helder. Aan de andere kant zijn tussenlaagse excitonen veel zwakker, maar kunnen ze worden verschoven naar verschillende energieën, waardoor onderzoekers de geabsorbeerde golflengte kunnen aanpassen. In tegenstelling tot intralaag-excitonen, vertonen interlaag-excitons ook zeer sterke, niet-lineaire interacties met elkaar – en deze interacties spelen een essentiële rol in veel van hun potentiële toepassingen.

Samenvoegen van eigenschappen

Nu hebben de onderzoekers van de groep onder leiding van professor Richard Warburton van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI) van de Universiteit van Basel deze twee soorten elektron-gatparen gekoppeld door ze op vergelijkbare energieën te brengen. Deze convergentie is alleen mogelijk dankzij de instelbaarheid van excitonen tussen de lagen, en de resulterende koppeling zorgt ervoor dat de eigenschappen van de twee typen elektron-gat-paar samensmelten. De onderzoekers kunnen daarom samengevoegde deeltjes op maat maken die niet alleen heel helder zijn, maar ook heel sterk met elkaar interageren.

“Hierdoor kunnen we de nuttige eigenschappen van beide soorten elektron-gatparen combineren”, legt Lukas Sponfeldner, een doctoraatsstudent aan de SNI Ph.D. School en eerste auteur van het papier. “Deze samengevoegde eigenschappen kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe bron van individuele fotonen te produceren, die een sleutelelement zijn van kwantumcommunicatie.”

Compatibel met klassieke modellen

In de krant, die werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenlaten de onderzoekers ook zien dat dit complexe systeem van elektron-gat-paren kan worden gesimuleerd met klassieke modellen uit de mechanica of elektronica.

In het bijzonder kunnen elektron-gatparen zeer effectief worden beschreven als oscillerende massa’s of circuits. “Deze eenvoudige en algemene analogieën helpen ons een beter begrip te krijgen van de fundamentele eigenschappen van gekoppelde deeltjes, niet alleen in molybdeendisulfide maar ook in veel andere materiële systemen en contexten”, legt professor Richard Warburton uit.