Un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha desarrollado un método simple que podría convertir materiales semiconductores ordinarios en máquinas cuánticas: dispositivos de supertina marcados por un comportamiento electrónico extraordinario. Tal avance podría ayudar arevolucionar una serie de industrias que apuntan a sistemas electrónicos energéticamente eficientes y proporcionar una plataforma para la nueva física exótica.
El estudio que describe el método, que agrupa capas 2D de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno para crear un material intrincadamente estampado, o superredes, fue publicado en línea recientemente en la revista Naturaleza .
"Este es un descubrimiento sorprendente porque no pensamos que estos materiales semiconductores interactuaran fuertemente", dijo Feng Wang, físico de materia condensada de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley. "Ahora este trabajo tienetrajo estos semiconductores aparentemente ordinarios al espacio de materiales cuánticos "
Los materiales bidimensionales 2D, que tienen solo un átomo de grosor, son como bloques de construcción de tamaño nanométrico que se pueden apilar arbitrariamente para formar pequeños dispositivos. Cuando las redes de dos materiales 2D son similares y están bien alineadas, un patrón repetitivo llamadose puede formar una superredes moiré.
Durante la última década, los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2D, a menudo comenzando con el grafeno, un material conocido por su capacidad de conducir eficientemente el calor y la electricidad. De este trabajo, otros investigadores descubrieron ese moiréLas superredes formadas con grafeno exhiben una física exótica como la superconductividad cuando las capas se alinean en el ángulo correcto.
El nuevo estudio, dirigido por Wang, utilizó muestras 2D de materiales semiconductores - disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno - para mostrar que el ángulo de giro entre capas proporciona una "perilla de ajuste" para convertir un sistema semiconductor 2D en un material cuántico exóticocon electrones altamente interactivos
Entrando en un nuevo reino de la física
Los coautores principales Chenhao Jin, un investigador postdoctoral, y Emma Regan, una estudiante investigadora graduada, ambas trabajando bajo Wang en el Grupo Ultrafast Nano-Optics en UC Berkeley, fabricaron las muestras de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno usando un polímerobasada en la técnica para recoger y transferir escamas de los materiales, cada una de las cuales mide solo decenas de micras de diámetro, en una pila.
Habían fabricado muestras similares de los materiales para un estudio anterior, pero con las dos capas apiladas sin un ángulo particular. Cuando midieron la absorción óptica de una nueva muestra de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno para el estudio actual, se tomaron completamentepor sorpresa.
La absorción de luz visible en un dispositivo de disulfuro de tungsteno / diselenuro de tungsteno es mayor cuando la luz tiene la misma energía que el excitón del sistema, una cuasipartícula que consiste en un electrón unido a un agujero que es común en semiconductores 2D. En física, un agujero es un estado actualmente vacante que un electrón podría ocupar.
Para la luz en el rango de energía que los investigadores estaban considerando, esperaban ver un pico en la señal que correspondía a la energía de un excitón.
En cambio, descubrieron que el pico original que esperaban ver se había dividido en tres picos diferentes que representan tres estados de excitón distintos.
¿Qué podría haber aumentado el número de estados de excitación en el disulfuro de tungsteno / dispositivo de tungsteno de uno a tres? ¿Fue la adición de una superrejilla de muaré?
Para averiguarlo, sus colaboradores Aiming Yan y Alex Zettl utilizaron un microscopio electrónico de transmisión TEM en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de investigación científica a nanoescala, para tomar imágenes de resolución atómica del disulfuro de tungsteno / dispositivo de diselenuro de tungsteno para verificar cómolas celosías de los materiales estaban alineadas.
Las imágenes de TEM confirmaron lo que habían sospechado todo el tiempo: los materiales de hecho habían formado una super retícula de muaré. "Vimos patrones hermosos y repetidos en toda la muestra", dijo Regan. "Después de comparar esta observación experimental con un modelo teórico, nosotrosdescubrió que el patrón de muaré introduce periódicamente una gran energía potencial sobre el dispositivo y, por lo tanto, podría introducir fenómenos cuánticos exóticos ".
Los investigadores luego planean medir cómo este nuevo sistema cuántico podría aplicarse a la optoelectrónica, que se relaciona con el uso de la luz en la electrónica; valleytronics, un campo que podría extender los límites de la ley de Moore al miniaturizar componentes electrónicos; y la superconductividad, quepermitiría que los electrones fluyan en dispositivos prácticamente sin resistencia.
También contribuyeron al estudio los investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE. La Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Defensa y la Iniciativa de Estrategia Elemental conducidos por MEXT, Japón y JSPS KAKENHI proporcionaron fondos adicionales. La Fundición Molecular es una Oficina del DOEde la facilidad del usuario de la ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :