Sprzężenie pary elektron-dziura – ScienceDaily

Materiały 2D Van der Waalsa od pewnego czasu są przedmiotem prac wielu grup badawczych. Mając grubość zaledwie kilku warstw atomowych, struktury te są wytwarzane w laboratorium przez łączenie warstw różnych materiałów o grubości atomu (w procesie określanym jako „atomowe lego”). Interakcje między warstwami ułożonymi w stos umożliwiają wykazywanie przez niejednorodne struktury właściwości, których brakuje poszczególnym składnikom.

Formowanie różnych par elektron-dziura

Dwuwarstwowy dwusiarczek molibdenu jest jednym z materiałów van der Waalsa, w którym elektrony mogą być wzbudzane przy użyciu odpowiedniej konfiguracji eksperymentalnej. Te ujemnie naładowane cząstki opuszczają następnie swoją pozycję w paśmie walencyjnym, pozostawiając dodatnio naładowany otwór i wchodzą w pasmo przewodnictwa. Biorąc pod uwagę różne ładunki elektronów i dziur, oba są przyciągane do siebie i tworzą tak zwaną quasicząstkę. Ten ostatni jest również określany jako para elektron-dziura lub ekscyton i może swobodnie poruszać się w materiale.

W dwuwarstwowym dwusiarczku molibdenu fotowzbudzenie powoduje powstanie dwóch różnych typów par elektron-dziura: par międzywarstwowych, w których elektron i dziura są zlokalizowane w tej samej warstwie materiału, oraz par międzywarstwowych, w których dziura i elektron znajdują się w różnych warstwach oraz są zatem oddzielone od siebie przestrzennie.

Te dwa typy par elektron-dziura mają różne właściwości: pary warstw wewnętrznych silnie oddziałują ze światłem — innymi słowy, intensywnie świecą. Z drugiej strony ekscytony międzyfazowe są ciemniejsze, ale można je przekształcić na różne energie, co pozwala naukowcom dostroić absorbowaną długość fali. W przeciwieństwie do ekscytonów wewnątrzwarstwowych, ekscytony międzyfazowe wykazują również bardzo silne oddziaływania nieliniowe ze sobą — a oddziaływania te odgrywają zasadniczą rolę w wielu ich potencjalnych zastosowaniach.

scalanie właściwości

Teraz naukowcy z grupy kierowanej przez profesora Richarda Warburtona z Wydziału Fizyki i Szwajcarskiego Instytutu Nanonauki (SNI) na Uniwersytecie w Bazylei skorelowali te dwa typy par elektron-dziura, sprowadzając je do podobnych energii. Ta zbieżność jest możliwa tylko dzięki przestrajaniu ekscytonów międzywarstwowych, a powstałe sprzężenie łączy właściwości dwóch typów pary elektron-dziura. Dzięki temu naukowcy mogą projektować zwarte cząstki, które są nie tylko niezwykle jasne, ale także silnie ze sobą oddziałują.

„Ta kombinacja pozwala nam połączyć korzystne właściwości obu typów par elektron-dziura” – wyjaśnia Lukas Sponfeldner, doktorant w SNI PhD School i pierwszy autor artykułu badawczego. „Te połączone właściwości można wykorzystać do wytworzenia nowego źródła pojedynczych fotonów, które są istotnym elementem komunikacji kwantowej”.

Kompatybilny z klasycznymi modelami

W artykule opublikowanym w Physical Review Letters naukowcy wykazali również, że ten złożony układ par elektron-dziura może być symulowany przy użyciu klasycznych modeli z dziedziny mechaniki lub elektroniki. W szczególności pary elektron-dziura można bardzo skutecznie opisać jako oscylujące bloki lub obwody. „Te proste i ogólne porównania pomagają nam lepiej zrozumieć podstawowe właściwości sprzężonych cząstek, nie tylko w dwusiarczku molibdenu, ale także w wielu innych układach i kontekstach materiałów” – wyjaśnia profesor Richard Warburton.

Źródło historii:

Materiały Wstęp do Szwajcarski Instytut Nanonauki, Uniwersytet w Bazylei. Uwaga: Treść można modyfikować zgodnie ze stylem i długością.