Un nuevo proceso de fabricación 'estilo sándwich' que coloca un semiconductor con un solo átomo de espesor entre dos espejos ha permitido a los investigadores australianos dar un paso significativo hacia la electrónica de energía ultrabaja basada en las partículas híbridas de materia ligera excitón-polaritones.

El estudio, dirigido por la Universidad Nacional de Australia, demostrado robusto, Propagación sin disipación de un excitón mezclado con luz que rebota entre los espejos de alta calidad.

La electrónica convencional se basa en el flujo de electrones, o 'agujeros' (un agujero es la ausencia de un electrón, es decir, una cuasipartícula cargada positivamente).

Sin embargo, un campo importante de la electrónica futura se centra en cambio en el uso de excitones (un electrón unido a un agujero) porque, en principio, podrían fluir en un semiconductor sin perder energía formando un estado superfluido colectivo. Y excitones en novela Los semiconductores delgados atómicamente estudiados activamente son estables a temperatura ambiente.

Los semiconductores atómicamente delgados son, por tanto, una clase de materiales prometedores para aplicaciones de baja energía, como transistores y sensores novedosos. Sin embargo, precisamente porque son tan delgados, sus propiedades, incluyendo el flujo de excitones, se ven fuertemente afectados por el desorden o las imperfecciones, que se puede introducir durante la fabricación.

El equipo de FLEET dirigido por ANU, con colegas de la Universidad de Swinburne y la institución asociada a la FLEET, Universidad de Wroclaw, ha acoplado los excitones en un material atómicamente delgado a la luz para demostrar por primera vez su propagación de largo alcance sin disipación de energía. a temperatura ambiente.

Cuando un excitón (materia) se une a un fotón (luz), forma una nueva partícula híbrida:un excitón-polaritón. Atrapar la luz entre dos espejos paralelos de alta calidad en una microcavidad óptica permite que esto suceda.

En el nuevo estudio, un nuevo proceso de fabricación de 'estilo sándwich' para la microcavidad óptica permitió a los investigadores minimizar el daño al semiconductor atómicamente delgado y maximizar la interacción entre los excitones y los fotones. Los excitones-polaritones formados en esta estructura pudieron propagarse sin disipación de energía a través de decenas de micrómetros, la escala típica de un microchip electrónico.

La construcción de microcavidades es la clave

Una microcavidad óptica de alta calidad que asegura la longevidad del componente de luz (fotónico) de los excitones-polaritones es la clave para estas observaciones.

El estudio encontró que los excitones-polaritones pueden volverse notablemente estables si la microcavidad se construye de una manera particular, evitando dañar el frágil semiconductor intercalado entre los espejos durante la fabricación.

"La elección del material atómicamente delgado en el que viajan los excitones es mucho menos importante, "dice el autor principal y correspondiente Matthias Wurdack.

"Descubrimos que la construcción de esa microcavidad era la clave, "dice Matthias, "Y aunque usamos sulfuro de tungsteno (WS2) en este experimento en particular, creemos que cualquier otro material TMDC atómicamente delgado también funcionaría ".

(Los dicalcogenuros de metales de transición son excelentes huéspedes para los excitones, albergando excitones que son estables a temperatura ambiente e interactúan fuertemente con la luz).

El equipo construyó la microcavidad apilando todos sus componentes uno por uno. Primero, se fabrica un espejo inferior de la microcavidad, luego se coloca una capa semiconductora, y luego se completa la microcavidad colocando otro espejo encima. Críticamente, el equipo no depositó la estructura del espejo superior directamente sobre el semiconductor notoriamente frágil atómicamente delgado, que se daña fácilmente durante cualquier proceso de deposición de material.

"En lugar de, fabricamos toda la estructura superior por separado, y luego colóquelo sobre el semiconductor mecánicamente, como hacer un sándwich, "dice Matthias.

"Así evitamos cualquier daño al semiconductor atómicamente delgado, y preservar las propiedades de sus excitones ".

En tono rimbombante, los investigadores optimizaron este método de emparedado para hacer la cavidad muy corta, que maximizó la interacción excitón-fotón.

"También nos beneficiamos de un poco de serendipia, "dice Matthias." ¡Un accidente de fabricación que terminó siendo clave para nuestro éxito! "

El fortuito 'accidente' se produjo en forma de un espacio de aire entre los dos espejos, haciéndolos no estrictamente paralelos.

Esta cuña en la microcavidad crea una 'pendiente' de voltaje / potencial para los excitones-polaritones, con las partículas moviéndose hacia arriba o hacia abajo de la pendiente.

Los investigadores descubrieron que una proporción de excitones-polaritones viaja con la conservación de la energía total (potencial y cinética), tanto hacia arriba como hacia abajo de la pendiente. Viajando por la pendiente convierten su energía potencial en igual cantidad de energía cinética, y viceversa.

Esa perfecta conservación de la energía total significa que no se pierde energía en el calor (debido a la 'fricción'), que señala el transporte "balístico" o sin disipación de polaritones. Aunque los polaritones de este estudio no forman un superfluido, la ausencia de disipación se logra porque se suprimen todos los procesos de dispersión que conducen a la pérdida de energía.

"Esta demostración, por primera vez, del transporte balístico de polaritones a temperatura ambiente en TMDC atómicamente delgados es un paso significativo hacia el futuro, electrónica basada en excitones de energía ultrabaja, "dice la líder del grupo, la profesora Elena Ostrovskaya (ANU).

Además de crear la "pendiente potencial", "Ese mismo accidente de fabricación creó un pozo potencial para excitones-polaritones. Esto permitió a los investigadores atrapar y acumular los excitones-polaritones en movimiento en el pozo, un primer paso esencial para atraparlos y guiarlos en un microchip".

De largo alcance, flujo a temperatura ambiente de excitones-polaritones

Es más, los investigadores confirmaron que los excitones-polaritones pueden propagarse en el semiconductor atómicamente delgado durante decenas de micrómetros (lo suficientemente lejos para la electrónica funcional), sin esparcir sobre defectos materiales. Esto contrasta con los excitones en estos materiales, cuya longitud de recorrido se reduce drásticamente debido a estos defectos.

Es más, los excitones-polaritones pudieron preservar su coherencia intrínseca (correlación entre la señal en diferentes puntos en el espacio y el tiempo), lo que es un buen augurio para su potencial como portadores de información.

"Este largo alcance, Se logró un transporte coherente a temperatura ambiente, lo cual es importante para el desarrollo de aplicaciones prácticas de semiconductores atómicamente delgados ", dijo Matthias Wurdack.

Si los futuros dispositivos excitónicos van a ser viables, alternativa de bajo consumo energético a los dispositivos electrónicos convencionales, deben poder funcionar a temperatura ambiente, sin necesidad de refrigeración que consume mucha energía.

"De hecho, contraintuitivamente, Nuestros cálculos muestran que la longitud de propagación se hace más larga a temperaturas más altas, que es importante para las aplicaciones tecnológicas, "dijo Matthias.

"Estrechamiento de movimiento, transporte balístico, y atrapamiento de polaritones de excitones a temperatura ambiente en un semiconductor atómicamente delgado "se publicó en Comunicaciones de la naturaleza en septiembre de 2021.