Сверхтонкие материалы, состоящие всего из нескольких атомных слоев, обещают применение в электронике и квантовых технологиях. Международная группа под руководством Технического университета Дрездена достигла значительного прогресса в эксперименте, проведенном в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR): эксперты смогли вызвать чрезвычайно быстрый процесс переключения между электрически нейтральными и заряженными люминесцентными частицами в сверхтонком, фактически двумерном материале.
Результат открывает новые перспективы для исследований, а также для оптической обработки данных и гибких детекторов. Исследование представлено в журнале Nature Photonics.
Двумерные полупроводники могут демонстрировать принципиально иные свойства по сравнению с более обычными объемными кристаллами. В частности, легче генерировать так называемые экситонные частицы: если электрон, который, как известно, заряжен отрицательно, возбуждается в материале путем поглощения энергии, он удаляется из своего первоначального положения. Он оставляет после себя подвижный заряд — положительно заряженную «дырку».
Электроны и дырки притягиваются друг к другу и вместе образуют связанное состояние, называемое экситоном, своего рода электронной парой. Если поблизости находится другой электрон, он притягивается к нему, образуя трехчастичное состояние, известное на научном жаргоне как трион. Особенностью триона является сочетание электрического заряда с сильным световым излучением, что позволяет осуществлять одновременное электронное и оптическое управление.
В течение довольно долгого времени взаимодействие между экситоном и трионом рассматривалось как процесс переключения, который сам по себе интригует и может представлять интерес для будущих приложений. Фактически, многим лабораториям уже удалось переключаться между двумя состояниями целенаправленно, но пока с ограниченными скоростями переключения.
Исследованием руководил профессор Алексей Черников из Технического университета Дрездена, а физик HZDR доктор Стефан Виннерл теперь смог значительно ускорить это переключение. Работа проводилась в рамках кластера передового опыта Вюрцбург-Дрезден «Сложность и топология в квантовых материалах, ct.qmat». Исследователи из Марбурга, Рима, Стокгольма и Цукубы внесли важный вклад в проект.
Эксперименты проводились с использованием специального оборудования в HZDR. Лазер на свободных электронах FELBE вырабатывает интенсивные терагерцовые импульсы — частотный диапазон, который лежит между радиоволнами и ближним инфракрасным излучением. Сначала исследователи облучали атомно-тонкий слой диселенида молибдена при криогенных температурах короткими лазерными импульсами, генерируя экситоны. Как только они создавались, каждый экситон захватывал электрон из тех, которые уже присутствовали в достаточном количестве в материале, и таким образом становился трионами.
«Когда мы затем обстреляли материал терагерцовыми импульсами, трионы чрезвычайно быстро снова сформировались в экситоны», — объясняет Виннерл. «Мы смогли это продемонстрировать, потому что экситоны и трионы испускали ближнее инфракрасное излучение на разных длинах волн».
Решающим фактором в эксперименте стало соответствие частоты терагерцовых импульсов для разрыва слабой связи между экситоном и электроном — таким образом, пара, состоящая всего из одного электрона и одной дырки, была воссоздана снова. Вскоре после этого этот экситон захватывает другой электрон и снова становится трионом.
Разделение на экситоны произошло с рекордной скоростью. Связь была разорвана за несколько пикосекунд — триллионных долей секунды. «Это почти в тысячу раз быстрее, чем было возможно ранее чисто электронными методами, и может быть сгенерировано по требованию с помощью терагерцового излучения», — подчеркивает Черников.
Новый метод открывает интересные перспективы для исследований. Следующим шагом может стать расширение продемонстрированных процессов на множество сложных электронных состояний и материальных платформ. Таким образом, необычные квантовые состояния материи, возникающие из-за сильного взаимодействия между многими частицами, станут доступными, как и приложения при комнатной температуре.
Результаты также могут оказаться полезными для будущих приложений, например, в сенсорной технике или оптической обработке данных.
«Было бы разумно адаптировать эффект для новых типов модуляторов с быстрым переключением», — объясняет Виннерл. «В сочетании с ультратонкими кристаллами это можно было бы использовать для разработки компонентов, которые одновременно являются чрезвычайно компактными и способны электронным образом управлять оптически закодированной информацией».
Другой областью применения может стать обнаружение и визуализация технологически значимого терагерцового излучения .
«На основе продемонстрированных процессов переключения в атомарно тонких полупроводниках в долгосрочной перспективе может оказаться возможным разработать детекторы, которые работают в терагерцовом диапазоне, регулируются в широком диапазоне частот и могут быть реализованы как терагерцовые камеры с большим количеством пикселей», — предполагает Черников. «В принципе, даже сравнительно низкой интенсивности должно быть достаточно для запуска процесса переключения».
Преобразование трионов в экситоны приводит к характерным изменениям в длине волны излучаемого ближнего инфракрасного света. Обнаружение этого и преобразование в изображения было бы довольно простым и могло бы быть достигнуто с использованием уже существующих современных технологий.
Солнечная система мчится в космосе гораздо быстрее, чем ожидалось
Измерение скорости Солнечной системы в космосе кажется простым, но это одно из самых сложных испытаний наших космологических представлений. По мере того, как наша Солнечная система движется по Вселенной, это движение…
Дешёвый препарат от подагры способен снижать риски инсульта и инфаркта
Широко распространенный и доступный по цене препарат от подагры — колхицин — способен значительно снижать риски инфаркта и инсульта у пациентов, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Таков вывод, прозвучавший в новом систематическом…
Экспертам удалось описать «пропущенную эпоху» в истории развития космоса
Физиками из итальянской Международной школы передовых исследований представлена подробная модель малоизученного периода эволюции Вселенной. Работа научной группы посвящена периоду раннего доминирования материи — это промежуток между космической инфляцией и стартом…
МО: за ночь над регионами России сбили 36 украинских БПЛА
Силы ПВО за ночь сбили 36 украинских беспилотников над регионами России. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение прошедшей ночи в период с 23:00 мск 16 ноября до 7:00…
Лавров: Мерц и его единомышленники так и не усвоили уроки Нюрнберга
Заявления канцлера ФРГ Фридриха Мерца о стремлении сделать Германию вновь сильнейшей армией Европы свидетельствуют о том, что он и его единомышленники не извлекли уроки из Нюрнбергского процесса. Об этом заявил…
Туск: в Польше повреждена железная дорога на линии, ведущей на Украину
Машинист поезда на северо-востоке Польши обнаружил разрыв железнодорожных путей на участке, ведущем на Украину. Об этом сообщила полиция Мазовецкого воеводства. Премьер-министр Польши Дональд Туск не исключил, что повреждение путей было…
При контактах с Россией Британия вышла за рамки
Правительство Великобритании втайне от своих союзников пыталось установить канал связи с Россией, но...
Паразитический муравей обманом заставляет рабочих убивать свою королеву
Если бы муравьи могли говорить, в туннелях некоторых колоний разносились бы крики: «Королева умерла,...
Севастополь - самый европейский из всех европейских городов. Именно здесь находятся английское, немецкое, французское, турецкое и даже итальянское кладбища, на которых покоятся те, кто когда-то усомнился в том, что Крым наш.
Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.
Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций
(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном
цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с
точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии
предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей
сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".