Las heteroestructuras semiconductoras son clave para el desarrollo de la electrónica y la optoelectrónica. Muchas aplicaciones en el rango de frecuencia de infrarrojos y terahercios aprovechan las transiciones, llamadas transiciones entre subbandas, entre estados cuantificados en pozos cuánticos de semiconductores. Estas transiciones intrabanda exhiben intensidades de oscilador muy grandes, cerca de la unidad. Su descubrimiento en heteroestructuras de semiconductores III-V representó un gran impacto dentro de la comunidad de física de la materia condensada y desencadenó el desarrollo de fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico, así como láseres de cascada cuántica.

Los pozos cuánticos de la más alta calidad se fabrican típicamente mediante epitaxia de haz molecular (crecimiento secuencial de capas cristalinas), que es una técnica bien establecida. Sin embargo, plantea dos limitaciones principales:se requiere la coincidencia de celosía, restringir la libertad de elección de materiales, y el crecimiento térmico provoca la difusión atómica y aumenta la rugosidad de la interfaz.

Los materiales 2-D pueden superar estas limitaciones, ya que forman de forma natural un pozo cuántico con interfaces atómicamente nítidas. Proporcionan interfaces libres de defectos y atómicamente nítidas, permitiendo la formación de QW ideales, libre de heterogeneidades difusivas. No requieren crecimiento epitaxial en un sustrato coincidente y, por lo tanto, se pueden aislar y acoplar fácilmente a otros sistemas electrónicos como Si CMOS o sistemas ópticos como cavidades y guías de ondas.

Sorpresivamente suficiente, las transiciones entre subbandas en materiales 2-D de pocas capas nunca se habían estudiado antes, ni experimental ni teóricamente. Por lo tanto, en un estudio reciente publicado en Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores del ICFO Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Frank Koppens, en colaboración con el Institut Lumière Matière — CNRS, Universidad Técnica de Dinamarca, Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, CIC nanoGUNE, y el Instituto Nacional de Grafeno, informe sobre los primeros cálculos teóricos y la primera observación experimental de transiciones entre subbandas en pozos cuánticos de materiales 2-D semiconductores de pocas capas (TMD).

En su experimento, El equipo de investigadores aplicó la microscopía óptica de campo cercano de barrido de dispersión (s-SNOM) como un enfoque innovador para las mediciones de absorción espectral con una resolución espacial por debajo de 20 nm. Exfoliaron TMD, que comprendía terrazas de diferentes espesores de capa sobre tamaños laterales de unos pocos micrómetros. Observaron directamente las resonancias entre subbandas para estos diferentes espesores de pozos cuánticos dentro de un solo dispositivo. También ajustaron electrostáticamente la densidad del portador de carga y demostraron absorción entre subbandas tanto en la banda de valencia como en la de conducción. Estas observaciones se complementaron y apoyaron con cálculos teóricos detallados que revelaron efectos de muchos cuerpos y no locales.

Los resultados de este estudio allanan el camino hacia un campo inexplorado en esta nueva clase de materiales y ofrecen un primer vistazo de la física y la tecnología habilitadas por las transiciones entre subbandas en materiales 2-D. como detectores de infrarrojos, fuentes, y láseres con potencial de integración compacta con Si CMOS.