Aprovechando los intensos pulsos ultrarrápidos de terahercios de banda ancha, científicos de la Universidad Nacional de Yokohama y sus colegas del Instituto de Tecnología de California han demostrado la excitación atómica en un material semiconductor bidimensional, avanzando en el desarrollo de dispositivos electrónicos.

Su artículo se publicó el 19 de marzo y aparece como Editor's Pick en la revista Applied Physics Letters. .

Los materiales bidimensionales (2D), o nanomateriales en forma de láminas, son plataformas prometedoras para futuras aplicaciones de semiconductores debido a sus propiedades electrónicas únicas. Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), un grupo destacado de materiales 2D, consisten en capas de átomos de metales de transición intercalados entre capas de átomos de calcógeno.

Dispuestos en una estructura reticular, estos átomos pueden vibrar u oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio; esta excitación colectiva se conoce como fonón coherente y desempeña un papel crucial en la determinación y el control de las propiedades de los materiales.

Tradicionalmente, los fonones coherentes se inducen mediante láseres pulsados ​​​​ultracortos en las regiones visible e infrarroja cercana. Los métodos que utilizan otras fuentes de luz siguen siendo limitados.

"Nuestro estudio aborda la cuestión fundamental de cómo los láseres ultrarrápidos de frecuencia de terahercios (o fotones de baja energía) inducen fonones coherentes en materiales TMD", dijo Satoshi Kusaba, profesor asistente de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama y primer autor del estudio.

La radiación de terahercios se refiere a ondas electromagnéticas con frecuencias en el rango de los terahercios, entre las frecuencias de microondas e infrarrojas. El equipo de investigación preparó pulsos ultrarrápidos de terahercios de banda ancha para inducir una dinámica de fonones coherente en películas delgadas de un TMD llamado WSe₂ .

Se dispuso una configuración precisa y sensible para detectar la anisotropía óptica, es decir, cómo se comporta la luz cuando atraviesa el material. Los investigadores estudiaron los cambios en la orientación del campo eléctrico de los pulsos láser ultracortos cuando interactúan con el material; estos cambios se conocen como rotación de polarización.

Al observar cuidadosamente la pequeña anisotropía óptica inducida, el equipo logró detectar las señales de fonones inducidas por los pulsos de terahercios.

"El hallazgo más importante de nuestro estudio es que la excitación de terahercios puede inducir fonones coherentes en TMD a través de un proceso de excitación de frecuencia suma distinta", dijo Haw-Wei Lin, Ph.D. candidato en el Instituto de Tecnología de California en el momento de la investigación y co-primer autor de este estudio.

"Este mecanismo, que es fundamentalmente diferente de los procesos de absorción lineal y resonante, implica la energía combinada de dos fotones de terahercios que coinciden con la del modo fonón".

Dado que la simetría de los modos de fonones que pueden excitarse mediante este proceso de suma de frecuencias es completamente diferente de la del proceso lineal resonante más típico, el proceso de excitación utilizado con éxito en este estudio es importante para controlar completamente los movimientos atómicos en los materiales. Las implicaciones de los hallazgos del estudio se extienden más allá de la investigación fundamental y son prometedores para una variedad de aplicaciones del mundo real.

"Con el proceso de excitación de frecuencia suma, podemos controlar coherentemente posiciones atómicas bidimensionales utilizando excitación de terahercios", dijo Kusaba. "Esto podría abrir la puerta al control de los estados electrónicos de los TMD, lo cual es prometedor para el desarrollo de Valleytronics y dispositivos electrónicos que utilizan TMD para bajo consumo de energía, computación de alta velocidad y fuentes de luz especializadas".

Otros contribuyentes incluyen a Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama y Jun Takada de la Universidad Nacional de Yokohama; Geoffrey A. Blake del Instituto de Tecnología de California.