Los electrones dentro de materiales sólidos sólo pueden tomar ciertos valores de energía. Los rangos de energía permitidos se denominan "bandas" y el espacio entre ellos, las energías prohibidas, se conoce como "bandas prohibidas". Ambos juntos constituyen la "estructura de banda" del material, que es una característica única de cada material específico.
Cuando los físicos trazan la estructura de las bandas, normalmente ven que las curvas resultantes se parecen a montañas y valles. De hecho, el término técnico para un máximo o mínimo de energía local en las bandas se llama "valle", y el campo que estudia y explota cómo los electrones en el material cambian de un valle a otro se denomina "valleytrónica". P>
En la electrónica semiconductora estándar, la carga eléctrica de los electrones es la propiedad más utilizada para codificar y manipular información. Pero estas partículas tienen otras propiedades que también podrían usarse para el mismo propósito, como el valle en el que se encuentran. En la última década, el principal objetivo de la Valleytronics ha sido alcanzar la población de control del valle (también conocida como polarización del valle) en materiales.
Un logro de este tipo podría utilizarse para crear puertas y bits clásicos y cuánticos, algo que realmente podría impulsar el desarrollo de la informática y el procesamiento de información cuántica.
Los intentos anteriores presentaron varios inconvenientes. Por ejemplo, la luz utilizada para manipular y cambiar la polarización del valle tenía que ser resonante; es decir, la energía de sus fotones (las partículas que constituyen la luz) tenía que corresponder exactamente a la energía de la banda prohibida de ese material en particular.
Cualquier pequeña desviación reducía la eficiencia del método, por lo que, siempre que cada material tuviera sus propias bandas prohibidas, generalizar el mecanismo propuesto parecía algo fuera de alcance. Además, este proceso sólo se había logrado para estructuras monocapa (materiales 2D, de solo un átomo de espesor).
Este requisito obstaculizó su implementación práctica, ya que las monocapas suelen tener un tamaño y calidad limitados y son difíciles de diseñar.
Ahora, los investigadores del ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska y el Dr. Lenard Vamos, dirigidos por el Prof. ICREA Jens Biegert, en colaboración con investigadores del Instituto Max-Born, el Instituto Max-Planck para la Ciencia de la Luz y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid ha encontrado un nuevo método universal para inducir la polarización de valle en materiales a granel centrosimétricos.
El descubrimiento, publicado en Nature , abre la posibilidad de controlar y manipular la población del valle sin estar restringido por el material específico elegido.
Al mismo tiempo, el método se puede utilizar para obtener una caracterización más detallada de cristales y materiales 2D.
La aventura comenzó con el grupo experimental liderado por el Prof. ICREA del ICFO Jens Biegert, que inicialmente quería producir experimentalmente polarización de valles utilizando su particular método en materiales 2D, siguiendo las líneas de lo teóricamente demostrado en un artículo teórico previo de Álvaro Jiménez. , Rui Silva y Misha Ivanov.
Para configurar el experimento, se probó la medición inicial con MoS2 a granel. (un material a granel hecho de muchas monocapas apiladas) con el sorprendente resultado de que vieron la firma de la polarización del valle. "Cuando empezamos a trabajar en este proyecto, nuestros colaboradores teóricos nos dijeron que era imposible mostrar la polarización del valle en materiales a granel", explica Poborska.
El equipo teórico también comenta que, al principio, su modelo sólo era adecuado para capas 2D individuales. "A primera vista, parecía que agregar más capas dificultaría la selección de valles específicos en la muestra. Sin embargo, después de los primeros resultados experimentales, ajustamos la simulación a los materiales a granel y validó las observaciones sorprendentemente bien. Ni siquiera trata de adaptarlo a cualquier cosa, tal como surgió", añade el profesor Misha Ivanov, el líder teórico.
Al final, "resultó que sí, es posible polarizar en valle materiales a granel que sean simétricos centralmente debido a las condiciones de simetría", concluye Poborska.
Como explica Igor Tyulnev, primer autor del artículo, "nuestro experimento consistió en crear un intenso pulso de luz con una polarización que se adaptaba a esta estructura interna. El resultado fue el llamado "campo trébol", cuya simetría coincidía con la subestructura triangular. redes que constituyen materiales hexagonales heteroatómicos."
Este campo fuerte de simetría coincidente rompe la simetría espacial y temporal dentro del material y, lo que es más importante, la configuración resultante depende de la orientación del campo trébol con respecto al material. Por lo tanto, "simplemente rotando el campo de luz incidente, pudimos modular la polarización de los valles", concluye Tyulnev, un logro importante en este campo y una confirmación de una nueva técnica universal que puede controlar y manipular los valles de electrones en materiales a granel.
El experimento se puede explicar en tres pasos principales:primero, la síntesis del campo trébol; luego su caracterización; y finalmente, la producción real de polarización de valles.
Los investigadores destacan la increíblemente alta precisión que requería el proceso de caracterización, ya que el campo trébol está formado no sólo por uno, sino por dos campos ópticos combinados de forma coherente. Uno de ellos tenía que estar polarizado circularmente en una dirección y el otro tenía que ser el segundo armónico del primer haz, polarizado en sentido contrario. Superpusieron estos campos entre sí para que la polarización total en el tiempo trazara la forma de trébol deseada.
Tres años después de los primeros intentos experimentales, Igor Tyulnev está entusiasmado con el reciente proyecto Nature. publicación. La aparición en una revista tan prestigiosa reconoce el nuevo método universal, que, según afirma, "puede utilizarse no sólo para controlar las propiedades de una amplia variedad de especies químicas sino también para caracterizar cristales y materiales 2D".
Como señala el profesor ICREA del ICFO Jens Biegert:"Nuestro método puede proporcionar un ingrediente importante para diseñar materiales energéticamente eficientes para un almacenamiento eficiente de información y una conmutación rápida. Esto aborda la necesidad apremiante de dispositivos de bajo consumo de energía y una mayor velocidad computacional. No puedo prometerlo que lo que hemos proporcionado es LA solución, pero probablemente sea una solución a este gran desafío."
Más información: Jens Biegert, Valleytronics MoS2 a granel con un campo óptico topológico, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07156-y. www.nature.com/articles/s41586-024-07156-y
Información de la revista: Naturaleza
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