Os cientistas finalmente encontraram a “matéria escura” da eletrônica

“No campo geral da eletrônica, uma manipula a carga de elétrons para processar informações”, explica Xing Zhu, co-primeiro autor e estudante de doutorado na unidade. “No campo da spoltronics, exploramos o giro dos elétrons para transportar informações. Indo além, em Valleytronics, a estrutura cristalina de materiais únicos nos permite codificar informações em estados distintos dos elétrons, conhecidos como vales”. A capacidade de usar a dimensão do vale dos excitons sombrios para transportar a informação os posiciona como candidatos promissores para tecnologias quânticas. Os excitons escuros são, por natureza, mais resistentes a fatores ambientais, como fundo térmico do que a geração atual de qubits, potencialmente exigindo resfriamento menos extremo e tornando -os menos propensos à descoperação, onde o estado quântico único se decompõe.

Definindo paisagens de energia com excitons brilhantes e escuros

Na última década, foi feito o progresso no desenvolvimento de uma classe de materiais semicondutores atomicamente finos conhecidos como TMDs (transição de dichalcogenetos de metal). Como em todos os semicondutores, os átomos nos TMDs estão alinhados em uma treliça de cristal, que limita os elétrons a um nível específico (ou banda) de energia, como a banda de valência. Quando expostos à luz, os elétrons carregados negativamente são excitados a um estado de energia mais alto – a banda de condução – deixando para trás um buraco carregado positivamente na faixa de valência. Os elétrons e orifícios são unidos por atração eletrostática, formando quasipartículas semelhantes a hidrogênio chamadas excitons. Se certas propriedades quânticas da correspondência de elétrons e orifícios, ou seja, eles têm a mesma configuração de spin e habitam o mesmo ‘vale’ em espaço de momento (os mínimos de energia que os elétrons e os orifícios podem ocupar na estrutura cristalina atômica) os dois recombinarem dentro de um picossegundo (1PS = 10^-12 segundo), emitindo luz no processo. Estes são excitons “brilhantes”.

No entanto, se as propriedades quânticas do elétron e do orifício não corresponderem, o elétron e o furo são proibidos de recombinar por conta própria e não emitem luz. Estes são caracterizados como excitons “escuros”. “Existem duas ‘espécies’ de excitons sombrios”, explica o Dr. David Bacon, co-primeiro autor que agora está no University College London, “Momentum-Dark e Spin-Dark, dependendo de onde as propriedades do elétron e do buraco estão em conflito. A incompatibilidade em propriedades não apenas impede a recombinação imediata, que eles existam até vários nanosecos (1NS (1NS (1NS (1NSENS (1NSCONDS).^-9 Segundo – uma escala de tempo muito mais útil), mas também torna os excitons sombrios mais isolados das interações ambientais “.

“A simetria atômica única de TMDs significa que, quando exposto a um estado de luz com uma polarização circular, pode -se criar seletivamente excitons brilhantes apenas em um vale específico. Esse é o princípio fundamental da valleytronics. Entre na busca de aplicações da Valleytronic “, explica o Dr. Vivek Pareek, co-primeiro autor e graduado da OIST, que agora é bolsista de pós-doutorado presidencial no Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Observando elétrons na escala de femtossegundos

Using the world-leading TR-ARPES (time- and angle resolved photoemission spectroscopy) setup at OIST, which includes a proprietary, table-top XUV (extreme ultraviolet) source, the team has managed to track the characteristics of all excitons after the creation of bright excitons in a specific valley in a TMD semiconductor over time by simultaneously quantifying momentum, spin state, and population levels of electrons and BUROS – Essas propriedades nunca foram quantificadas simultaneamente antes.

Suas descobertas mostram que dentro de um picossegundo, alguns excitons brilhantes são espalhados por fônons (vibrações de treliça de cristal quantizadas) em diferentes vales de momento, tornando-os-ministros-escuro. Posteriormente, os excitons Spin-Dark dominam, onde os elétrons giraram o giro dentro do mesmo vale, persistindo em escalas de nanossegundos.

Com isso, a equipe superou o desafio fundamental de como acessar e rastrear excitons escuros, estabelecendo a base para o Dark Valleytronics como um campo. O Dr. Julien Madéo, da Unidade, resume: “Graças à sofisticada configuração TR-Arpes na OIST, acessamos diretamente e mapeamos como e quais excitons escuros mantêm informações de longa duração.