El ángulo de torsión formado entre capas atómicamente delgadas de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno actúa como un "botón de sintonización, "convirtiendo semiconductores ordinarios en un material cuántico exótico. Crédito:Berkeley Lab
Un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha desarrollado un método simple que podría convertir materiales semiconductores ordinarios en máquinas cuánticas:dispositivos superdelgados marcados por un comportamiento electrónico extraordinario. Tal avance podría ayudar a revolucionar una serie de industrias que buscan sistemas electrónicos energéticamente eficientes y proporcionar una plataforma para nuevas físicas exóticas.
El estudio que describe el método, que apila capas bidimensionales de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno para crear un material con patrones intrincados, o superrejilla, fue publicado recientemente en línea en la revista Naturaleza .
"Este es un descubrimiento asombroso porque no pensamos que estos materiales semiconductores interactuaran fuertemente, "dijo Feng Wang, físico de materia condensada de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de física en la Universidad de California en Berkeley. "Ahora bien, este trabajo ha traído estos semiconductores aparentemente ordinarios al espacio de los materiales cuánticos".
Materiales bidimensionales (2-D), que tienen solo un átomo de espesor, son como bloques de construcción de tamaño nanométrico que pueden apilarse arbitrariamente para formar dispositivos diminutos. Cuando las celosías de dos materiales 2-D son similares y están bien alineadas, se puede formar un patrón repetido llamado superrejilla muaré.
Durante la última década, Los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2-D, a menudo comenzando con grafeno, un material conocido por su capacidad para conducir eficientemente el calor y la electricidad. Fuera de este cuerpo de trabajo otros investigadores habían descubierto que las superredes de muaré formadas con grafeno exhiben una física exótica como la superconductividad cuando las capas están alineadas en el ángulo correcto.
El nuevo estudio, dirigido por Wang, utilizaron muestras bidimensionales de materiales semiconductores (disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno) para demostrar que el ángulo de torsión entre capas proporciona un "botón de sintonización" para convertir un sistema semiconductor bidimensional en un material cuántico exótico con electrones que interactúan mucho.
Entrar en un nuevo reino de la física
Los coautores principales Chenhao Jin, un becario postdoctoral, y Emma Regan, un investigador estudiante de posgrado, ambos trabajan con Wang en el Grupo de nanoóptica ultrarrápida en UC Berkeley, fabricó las muestras de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno utilizando una técnica basada en polímeros para recoger y transferir las escamas de los materiales, cada uno mide solo decenas de micrones de diámetro, en una pila.
La gran energía potencial de tres estados de excitón distintos en un dispositivo 2D de disulfuro de tungsteno / diselenuro de tungsteno podría introducir fenómenos cuánticos exóticos en materiales semiconductores. Crédito:Berkeley Lab
Habían fabricado muestras similares de los materiales para un estudio anterior, pero con las dos capas apiladas sin un ángulo particular. Cuando midieron la absorción óptica de una nueva muestra de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno para el estudio actual, fueron tomados completamente por sorpresa.
La absorción de luz visible en un dispositivo de disulfuro de tungsteno / diselenuro de tungsteno es mayor cuando la luz tiene la misma energía que el excitón del sistema. una cuasipartícula que consiste en un electrón unido a un agujero que es común en semiconductores 2-D. (En física, un agujero es un estado actualmente vacante que un electrón podría ocupar).
Para luz en el rango de energía que los investigadores estaban considerando, esperaban ver un pico en la señal que correspondía a la energía de un excitón.
En lugar de, encontraron que el pico original que esperaban ver se había dividido en tres picos diferentes que representan tres estados de excitones distintos.
¿Qué podría haber aumentado el número de estados de excitón en el dispositivo de disulfuro de tungsteno / tungsteno de uno a tres? ¿Fue la adición de una superrejilla de muaré?
Descubrir, sus colaboradores Aiming Yan y Alex Zettl usaron un microscopio electrónico de transmisión (TEM) en la Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de investigación científica a nanoescala, para tomar imágenes de resolución atómica del dispositivo de disulfuro de tungsteno / diselenuro de tungsteno para verificar cómo se alinearon las celosías de los materiales.
Las imágenes TEM confirmaron lo que habían sospechado desde el principio:los materiales habían formado una superrejilla muaré. "Vimos hermosa, patrones repetidos en toda la muestra, ", dijo Regan." Después de comparar esta observación experimental con un modelo teórico, descubrimos que el patrón muaré introduce una gran energía potencial periódicamente sobre el dispositivo y, por lo tanto, podría introducir fenómenos cuánticos exóticos ".
A continuación, los investigadores planean medir cómo este nuevo sistema cuántico podría aplicarse a la optoelectrónica, que se relaciona con el uso de la luz en la electrónica; Valleytronics, un campo que podría extender los límites de la ley de Moore miniaturizando componentes electrónicos; y superconductividad, lo que permitiría que los electrones fluyeran en dispositivos prácticamente sin resistencia.
