Investigadores de óptica de la Universidad de Texas en Dallas han demostrado por primera vez que un nuevo método para fabricar semiconductores ultrafinos produce material en el que los excitones sobreviven hasta 100 veces más que en los materiales creados con métodos anteriores.

Los hallazgos muestran que los excitones, cuasipartículas que transportan energía, duran lo suficiente para una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluso como bits en dispositivos de computación cuántica.

El Dr. Anton Malko, profesor de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, es el autor correspondiente de un artículo publicado en línea el 30 de marzo en Advanced Materials que describe pruebas en semiconductores ultrafinos realizados con un método desarrollado recientemente llamado técnica de síntesis asistida por láser (LAST). Los hallazgos muestran una nueva física cuántica en acción.

Los semiconductores son una clase de sólidos cristalinos cuya conductividad eléctrica se encuentra entre la de un conductor y la de un aislante. Esta conductividad se puede controlar externamente, ya sea mediante dopaje o activación eléctrica, lo que los convierte en elementos clave para los diodos y transistores que sustentan toda la tecnología electrónica moderna.

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales son un tipo novedoso de semiconductor ultrafino que consta de un metal de transición y un elemento calcógeno dispuestos en una capa atómica. Si bien los TMD se han explorado durante aproximadamente una década, la forma 2D que examinó Malko tiene ventajas en cuanto a escalabilidad y propiedades optoelectrónicas.

"LAST es un método muy puro. Se toma molibdeno o tungsteno puro y selenio o azufre puro y se evapora bajo una luz láser intensa", dijo Malko. "Esos átomos se distribuyen en un sustrato y hacen que la capa TMD bidimensional tenga menos de 1 nanómetro de espesor".

Las propiedades ópticas de un material están parcialmente determinadas por el comportamiento de los excitones, que son cuasipartículas que pueden transportar energía mientras permanecen eléctricamente neutrales.

"Cuando un semiconductor absorbe un fotón, crea en el semiconductor un electrón con carga negativa emparejado con un hueco positivo, para mantener la carga neutra. Este par es el excitón. Las dos partes no están completamente libres una de la otra, todavía tienen un Coulomb interacción entre ellos", dijo Malko.

Malko y su equipo se sorprendieron al descubrir que los excitones en los TMD producidos por LAST duraron hasta 100 veces más que los de otros materiales de TMD.

“Rápidamente descubrimos que, ópticamente hablando, estas muestras 2D se comportan de manera totalmente diferente a cualquiera que hayamos visto en 10 años trabajando con TMD”, dijo. "Cuando comenzamos a analizarlo más a fondo, nos dimos cuenta de que no es una casualidad; es repetible y depende de las condiciones de crecimiento".

Malko cree que estas vidas más largas son causadas por excitones indirectos, que son ópticamente inactivos.

"Estos excitones se usan como una especie de reservorio para alimentar lentamente a los excitones ópticamente activos", dijo.

El autor principal del estudio, el Dr. Navendu Mondal, exinvestigador postdoctoral de UT Dallas que ahora es becario individual Marie Skłodowska-Curie en el Imperial College de Londres, dijo que cree que los excitones indirectos existen debido a la cantidad anormal de tensión entre el material de monocapa TMD y el sustrato sobre el que crece.

"El control de la tensión en una monocapa atómicamente delgada de TMD es una herramienta importante para adaptar sus propiedades optoelectrónicas", dijo Mondal. "Su estructura de banda electrónica es muy sensible a las deformaciones estructurales. Bajo suficiente tensión, las modificaciones de la brecha de banda provocan la formación de varios excitones 'oscuros' indirectos que son ópticamente inactivos. A través de este hallazgo, revelamos cómo influye la presencia de estos excitones oscuros ocultos. esos excitones creados directamente por fotones".

Malko dijo que la tensión incorporada en los TMD 2D es comparable a la que se induciría al presionar el material con pilares de tamaño micro o nano colocados externamente, aunque no es una opción tecnológica viable para capas tan delgadas.

"Esa tensión es crucial para crear estos excitones indirectos ópticamente inactivos", dijo. "Si eliminas el sustrato, la tensión se libera y esta maravillosa respuesta óptica desaparece".

Malko dijo que los excitones indirectos pueden controlarse electrónicamente y convertirse en fotones, lo que abre un camino para el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos.

"Este aumento de la vida útil tiene aplicaciones potenciales muy interesantes", dijo. "Cuando un excitón tiene una vida útil de solo unos 100 picosegundos o menos, no hay tiempo para usarlo. Pero en este material, podemos crear una reserva de excitones inactivos que viven mucho más, unos pocos nanosegundos en lugar de cientos de picosegundos. Puedes hacer mucho con esto".

Malko dijo que los resultados de la investigación son una importante prueba de concepto para futuros dispositivos a escala cuántica.

"Es la primera vez que sabemos que alguien ha hecho esta observación fundamental de excitaciones tan duraderas en materiales TMD, lo suficientemente largas como para poder usarse como un bit cuántico, como un electrón en un transistor o incluso solo para la recolección de luz en un celda solar", dijo. "Nada en la literatura puede explicar estas vidas superlargas de excitones, pero ahora entendemos por qué tienen estas características".

A continuación, los investigadores intentarán manipular excitones con un campo eléctrico, que es un paso clave para crear elementos lógicos de nivel cuántico.

"Los semiconductores clásicos ya se han miniaturizado hasta el umbral antes de que los efectos cuánticos cambien el juego por completo", dijo Malko. "Si puede aplicar voltaje de compuerta y demostrar que los materiales 2D TMD funcionarán para futuros dispositivos electrónicos, es un gran paso. La monocapa atómica en el material 2D TMD es 10 veces más pequeña que el límite de tamaño con silicio. Pero, ¿pueden crear elementos lógicos en ese tamaño? Eso es lo que tenemos que averiguar". + Explora más

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