Un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza por Sufei Shi, profesor asistente de ingeniería química y biológica en Rensselaer, aumenta nuestra comprensión de cómo la luz interactúa con semiconductores atómicamente delgados y crea partículas complejas excitónicas únicas, múltiples electrones, y agujeros fuertemente unidos. Estas partículas poseen un nuevo grado cuántico de libertad, llamado "giro del valle". El "giro del valle" es similar al giro de los electrones, que se ha utilizado ampliamente en el almacenamiento de información, como discos duros, y también es un candidato prometedor para la computación cuántica.

El papel, titulado "Revelando los complejos biexciton y trion-exciton en WSe2 encapsulado en BN, "fue publicado el 13 de septiembre de 2018, edición de Comunicaciones de la naturaleza . Los resultados de esta investigación podrían conducir a nuevas aplicaciones en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, como la recolección de energía solar, nuevos tipos de láseres, y detección cuántica.

La investigación de Shi se centra en materiales cuánticos de baja dimensión y sus efectos cuánticos, con un interés particular en materiales con fuertes interacciones luz-materia. Estos materiales incluyen grafeno, dichacogenuros de metales de transición (TMD), como diselenuro de tungsteno (WSe2), y aislantes topológicos.

Los TMD representan una nueva clase de semiconductores atómicamente delgados con propiedades ópticas y optoelectrónicas superiores. La excitación óptica en los TMD bidimensionales de una sola capa generará un par electrón-hueco fuertemente unido llamado excitón, en lugar de electrones y huecos que se mueven libremente como en los semiconductores a granel tradicionales. Esto se debe a la energía de enlace gigante en los TMD monocapa, que es órdenes de magnitud mayor que la de los semiconductores convencionales. Como resultado, el excitón puede sobrevivir a temperatura ambiente y, por tanto, puede utilizarse para la aplicación de dispositivos excitónicos.

A medida que aumenta la densidad del excitón, más electrones y huecos se emparejan, formando complejos excitónicos de cuatro partículas e incluso de cinco partículas. La comprensión de los complejos excitónicos de muchas partículas no solo da lugar a una comprensión fundamental de la interacción luz-materia en dos dimensiones, también conduce a aplicaciones novedosas, dado que los complejos excitónicos de muchas partículas mantienen las propiedades de "espín en valle" mejor que el excitón. Sin embargo, a pesar de los desarrollos recientes en la comprensión de los excitones y triones en los TMD, dijo Shi, una medida inequívoca de la energía de enlace de biexciton sigue siendo difícil de alcanzar.

"Ahora, por primera vez, hemos revelado el verdadero estado de biexciton, un complejo único de cuatro partículas que responde a la luz, "dijo Shi." También revelamos la naturaleza del biexciton cargado, un complejo de cinco partículas ".

En Rensselaer, El equipo de Shi ha desarrollado una forma de construir una muestra extremadamente limpia para revelar esta interacción única luz-materia. El dispositivo se construyó apilando varios materiales atómicamente delgados juntos, incluido el grafeno, nitruro de boro (BN), y WSe2, a través de la interacción de van der Waals (vdW), que representa la técnica de fabricación de vanguardia de materiales bidimensionales.

Este trabajo se realizó en colaboración con el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahasee, Florida, e investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, así como con Shengbai Zhang, el profesor de la constelación de Kodosky en el Departamento de Física, Física Aplicada, y Astronomía en Rensselaer, cuyo trabajo jugó un papel fundamental en el desarrollo de una comprensión teórica del biexciton.

Los resultados de esta investigación podrían conducir a una física óptica robusta de muchas partículas, e ilustrar posibles aplicaciones novedosas basadas en semiconductores 2-D, Dijo Shi. Shi ha recibido financiación de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Zhang fue apoyado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencias.

La investigación también apareció recientemente en Nanotecnología de la naturaleza .