Экситоны прокладывают путь к более производительной электронике

После разработки метода управления потоками экситонов при комнатной температуре ученые EPFL открыли новые свойства этих квазичастиц, которые могут привести к созданию более энергоэффективных электронных устройств.

Они первыми стали контролировать потоки экситонов при комнатной температуре. И теперь команда ученых из Лаборатории наноразмерной электроники и конструкций EPFL (LANES) сделала еще один шаг вперед в своей технологии. Они нашли способ контролировать некоторые свойства экситонов и изменять поляризацию света, который они генерируют.

Это может привести к появлению нового поколения электронных устройств с транзисторами, которые подвергаются меньшим потерям энергии и рассеиванию тепла. Открытие ученых является частью новой области исследований под названием долотроника и только что было опубликовано в журнале Nature Photonics.

Экситоны создаются, когда электрон поглощает свет и переходит на более высокий энергетический уровень, или «энергетическую зону», как их называют в квантовой физике твердого тела. Этот возбужденный электрон оставляет «электронную дыру» в своей предыдущей энергетической зоне. И поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а дыра — положительный заряд, они связаны электростатической силой, называемой кулоновской силой. Эта пара электрон-электронная дыра называется экситоном.

Беспрецедентные квантовые свойства

Экситоны существуют только в полупроводниковых и изоляционных материалах. К их необычным свойствам можно легко получить доступ в двумерных материалах, которые представляют собой материалы, базовая структура которых имеет толщину всего в несколько атомов. Наиболее распространенными примерами таких материалов являются углерод и молибденит.

Когда такие двумерные материалы объединяются, они часто проявляют квантовые свойства, которыми ни один материал не обладает сам по себе. Таким образом, ученые из EPFL объединили диселенид вольфрама (WSe2) с диселенидом молибдена (MoSe2), чтобы открыть новые свойства с рядом возможных высокотехнологичных применений.

Используя лазер для генерации световых пучков с круговой поляризацией и слегка смещая положения двух двумерных материалов, чтобы создать рисунок муара, они смогли использовать экситоны для изменения и регулирования поляризации, длины волны и интенсивности света.

Ученые достигли этого, манипулируя одним из свойств экситонов: их «впадиной», которая связана с крайностями энергий электрона и дыры. Эти впадины (или долины) — отсюда и название Valleytronics — могут быть использованы для кодирования и обработки информации на наноскопическом уровне.

«Соединение нескольких устройств с этой технологией дало бы нам новый способ обработки данных», — говорит Андрас Кис, глава LANES. «Изменяя поляризацию света в данном устройстве, мы можем затем выбрать конкретную впадину во втором подключенном к нему устройстве. Это похоже на переключение с 0 на 1 или с 1 на 0, что является фундаментальной двоичной логикой, используемой в вычислениях».

Alberto Ciarrocchi et al. Polarization switching and electrical control of interlayer excitons in two-dimensional van der Waals heterostructures, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0325-y