Applications dans les futurs dispositifs basés sur les biexcitons dans les TMDC —


  • FrançaisFrançais



  • Une technique de spectroscopie rare réalisée à l’Université de technologie de Swinburne quantifie directement l’énergie nécessaire pour lier deux excitons ensemble, fournissant pour la première fois une mesure directe de l’énergie de liaison du biexciton dans WS2.

    En plus d’améliorer notre compréhension fondamentale de la dynamique des biexcitons et des échelles d’énergie caractéristiques, ces découvertes informent directement ceux qui travaillent à la réalisation de dispositifs à base de biexcitons tels que des lasers plus compacts et des capteurs chimiques.

    L’étude rapproche également de nouveaux matériaux quantiques exotiques et des phases quantiques aux propriétés inédites.

    L’étude est une collaboration entre les chercheurs FLEET de Swinburne et l’Université nationale australienne.

    Comprendre les excitons

    Les particules de charge opposée à proximité ressentiront la « traction » des forces électrostatiques, les liant ensemble. Les électrons de deux atomes d’hydrogène sont attirés par des protons opposés pour former H2par exemple, tandis que d’autres compositions d’une telle attraction électrostatique (médiée par Coulomb) peuvent entraîner des états moléculaires plus exotiques.

    Les propriétés optiques des semi-conducteurs sont souvent dominées par le comportement des « excitons ». Ces quasi-particules composées peuvent être créées via l’excitation d’un électron de la valence à la bande de conduction, l’électron de conduction chargé négativement se liant ensuite électrostatiquement à la vacance chargée positivement (appelée trou) son excitation laissée dans la valence bande.

    Comprendre les interactions entre les excitons est crucial pour réaliser de nombreuses applications de dispositifs proposées, et dans les matériaux en vrac, elles sont assez bien comprises. Cependant, lorsque les choses sont réduites à deux dimensions, la façon dont elles peuvent interagir change et un effet quantique important peut entrer en jeu. Semi-conducteurs monocouches tels que WS2 introduisent une révolution des matériaux en raison des nouvelles propriétés découvertes par des recherches comme celle-ci.

    Une révolution des matériaux

    En raison de la dimensionnalité réduite des matériaux bidimensionnels, l’énergie de liaison des excitons et des complexes d’excitons comme les biexcitons est considérablement améliorée. Cette énergie de liaison accrue rend les biexcitons plus accessibles, même à température ambiante, et introduit la possibilité d’utiliser des biexcitons circulant dans de nouveaux matériaux comme base pour une gamme de technologies futures à faible énergie.

    Dichalcogénures de métaux de transition atomiquement minces (TMDC) comme WS2 sont une famille de matériaux semi-conducteurs, isolants et semi-métalliques qui ont attiré l’attention des chercheurs ces dernières années pour une utilisation dans une future génération d’électronique « au-delà du CMOS ».

    « Avant de pouvoir appliquer ces matériaux bidimensionnels à la prochaine génération d’appareils électroniques à faible consommation d’énergie, nous devons quantifier les propriétés fondamentales qui régissent leur fonctionnalité », explique l’auteur principal Mitchell Conway, doctorant à l’Université de technologie de Swinburne (Australie). ).

    Une nouvelle façon de quantifier l’énergie de liaison des biexcitons

    La nécessité de comprendre les propriétés des biexcitons a suscité d’importantes conjectures et enquêtes dans la communauté de recherche sur les semi-conducteurs sur leur présence, leur énergie de liaison et leur nature. Des tentatives ont été faites pour étudier la quantité d’énergie nécessaire pour séparer les deux excitons dans un biexciton, la manière évidente étant une comparaison entre l’énergie des excitons liés et non liés. Pourtant, ce n’est pas ce qui se fait habituellement.

    L’étude dirigée par Swinburne a identifié le biexciton optiquement accessible dans le disulfure de tungstène TMDC (WS2). Pour mesurer sans ambiguïté les signatures biexcitoniques, l’équipe de chercheurs a utilisé une séquence spécifique d’impulsions optiques ultracourtes avec une relation de phase contrôlée avec précision et des vecteurs d’onde bien définis.

    « En utilisant plusieurs impulsions avec un degré élevé de précision, nous pouvons sonder de manière sélective et directe l’état de biexciton à double excitation, tout en éliminant toute contribution des états d’exciton à excitation simple », explique l’auteur correspondant, le professeur Jeff Davis (Swinburne).

    « Cette capacité à exciter directement le biexciton est inaccessible aux techniques plus courantes telles que la spectroscopie de photoluminescence », explique le professeur Davis.

    La technique utilisée par l’équipe est connue sous le nom de «spectroscopie cohérente multidimensionnelle biquantique» (2Q-MDCS), qui permet une mesure expérimentale directe de l’énergie de liaison des biexcitons. Lorsque le biexciton est observé à l’aide de 2Q-MDCS, un signal provenant d’une paire d’excitons qui interagit mais non lié est également généré, appelé « excitons corrélés ».

    « La différence d’énergie entre le pic de biexciton et le pic corrélé à deux excitons est le meilleur moyen de mesurer l’énergie de liaison du biexciton », explique Mitchell. « C’était une observation passionnante, car d’autres techniques spectroscopiques n’observent pas ces excitons corrélés. »

    Les techniques précédemment utilisées pour identifier le biexciton se limitent à mesurer les photons de la transition biexciton à exciton. Ces transitions peuvent ne pas refléter l’énergie précise de l’un ou l’autre par rapport à l’état fondamental.

    De plus, l’étude a identifié la nature du biexciton dans la monocouche WS2. Le biexciton qu’ils ont observé était composé de deux excitons brillants de spin opposé, qui en WS2 est appelé biexciton « intervalle brillant-brillant ». En revanche, les mesures de photoluminescence rapportant des biexcitons dans la monocouche WS2 sont incapables d’identifier les excitons spécifiques impliqués, mais sont généralement supposés impliquer un exciton brillant et un exciton « sombre », en raison de la relaxation rapide dans ces états d’excitons à faible énergie qui n’absorbent ni n’émettent de lumière.

    La capacité d’identifier avec précision les signatures de biexcitons dans les semi-conducteurs monocouches peut également jouer un rôle clé dans le développement de matériaux quantiques et de simulateurs quantiques. Les corrélations électrostatiques d’ordre supérieur fournissent une plate-forme pour construire des combinaisons cohérentes d’états quantiques et potentiellement régler les interactions afin de réaliser des phases quantiques de la matière qui ne sont pas encore bien comprises.

    N'oubliez pas de voter pour cet article !
    1 étoile2 étoiles3 étoiles4 étoiles5 étoiles (No Ratings Yet)
    Loading...
    mm

    La Rédaction

    L'équipe rédactionnelle

    Laisser un commentaire

    Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.