Los materiales bidimensionales de van der Waals han sido el foco de trabajo de numerosos grupos de investigación durante algún tiempo. Con solo unas pocas capas atómicas de espesor, estas estructuras se producen en el laboratorio mediante la combinación de capas del espesor de un átomo de diferentes materiales (en un proceso denominado "Lego atómico"). Las interacciones entre las capas apiladas permiten que las heteroestructuras muestren propiedades de las que carecen los constituyentes individuales.

El disulfuro de molibdeno de dos capas es uno de esos materiales de van der Waals, en el que los electrones se pueden excitar utilizando una configuración experimental adecuada. Estas partículas cargadas negativamente luego dejan su posición en la banda de valencia, dejando atrás un hueco cargado positivamente, y entran en la banda de conducción. Dadas las diferentes cargas de electrones y huecos, los dos se atraen entre sí y forman lo que se conoce como una cuasipartícula. Este último también se conoce como par electrón-hueco, o excitón, y puede moverse libremente dentro del material.

En el disulfuro de molibdeno de dos capas, la excitación con luz produce dos tipos diferentes de pares electrón-hueco:pares de intracapa, en los que el electrón y el hueco están localizados en la misma capa del material, y pares de capa intermedia, cuyo hueco y electrón están ubicados en la misma capa. diferentes capas y, por lo tanto, están separados espacialmente unos de otros.

Estos dos tipos de pares electrón-hueco tienen propiedades diferentes:los pares intracapa interactúan fuertemente con la luz; en otras palabras, brillan muy intensamente. Por otro lado, los excitones de la capa intermedia son mucho más tenues pero se pueden cambiar a diferentes energías y, por lo tanto, permiten a los investigadores ajustar la longitud de onda absorbida. A diferencia de los excitones intracapa, los excitones intercapa también exhiben interacciones no lineales muy fuertes entre sí, y estas interacciones juegan un papel esencial en muchas de sus aplicaciones potenciales.

Fusión de propiedades

Ahora, los investigadores del grupo dirigido por el profesor Richard Warburton del Departamento de Física y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) de la Universidad de Basilea han acoplado estos dos tipos de pares de agujeros de electrones llevándolos a energías similares. Esta convergencia solo es posible gracias a la capacidad de ajuste de los excitones entre capas, y el acoplamiento resultante hace que las propiedades de los dos tipos de pares electrón-hueco se fusionen. Por lo tanto, los investigadores pueden crear partículas fusionadas a la medida que no solo son muy brillantes sino que también interactúan muy fuertemente entre sí.

"Esto nos permite combinar las propiedades útiles de ambos tipos de pares electrón-hueco", explica Lukas Sponfeldner, estudiante de doctorado en SNI Ph.D. Escuela y primer autor del artículo. "Estas propiedades fusionadas podrían usarse para producir una nueva fuente de fotones individuales, que son un elemento clave de la comunicación cuántica".

Compatible con modelos clásicos

En el artículo, que se publicó en Physical Review Letters , los investigadores también muestran que este complejo sistema de pares electrón-hueco se puede simular utilizando modelos clásicos de los campos de la mecánica o la electrónica.

Específicamente, los pares electrón-hueco pueden describirse muy efectivamente como masas o circuitos oscilantes. "Estas analogías simples y generales nos ayudan a comprender mejor las propiedades fundamentales de las partículas acopladas, no solo en el disulfuro de molibdeno, sino también en muchos otros sistemas y contextos materiales", explica el profesor Richard Warburton. + Explora más

Un material altamente absorbente de luz y sintonizable