Los materiales diminutos encierran grandes misterios, cuyas soluciones podrían dar lugar a la electrónica de próxima generación. Una colaboración internacional dirigida por investigadores con sede en Japón ha resuelto el misterio de las señales de sobretonos crípticas en un análisis de diseleniuro de molibdeno, una red cristalina atómicamente delgada con propiedades deseables únicas debido a su forma tridimensional más voluminosa.

Publicaron sus resultados el 25 de julio en Nature Communications .

El compuesto pertenece a una familia de semiconductores bidimensionales similares llamados monocapas de dicalcogenuro de metal de transición (TMD), todos los cuales tienen estructuras de bandas electrónicas que contienen los llamados valles. Las redes TMD están organizadas como hexágonos, con el vector de onda correspondiente, conocido como espacio k, a lo largo del costado. El punto central lateral del espacio k se conoce como "punto M" y las seis esquinas como "puntos K (-K)".

Los valles son las caídas y subidas de la banda electrónica en las esquinas de los hexágonos, donde la energía o las partículas portadoras de información pueden moverse para hacer que el material entre en acción. Sin embargo, las actividades de los intervalos, especialmente en relación con la dispersión de electrones, siguen siendo esquivas. En este proceso, los fonones, o unidades de energía que se manifiestan como vibraciones, hacen que los electrones se dispersen y cambien de estado en el espacio interválico a una velocidad ultrarrápida.

Esta polarización del valle, si se puede controlar para inducir o reducir propiedades específicas, convierte a los TMD en el candidato más prometedor para tecnologías avanzadas, según el coautor correspondiente Soungmin Bae, investigador postdoctoral en el Laboratorio de Materiales y Estructuras del Instituto de Tecnología de Tokio. La combinación de Valley y el potencial de la electrónica informa el nombre de este nicho de campo:Valleytronics.

"Para establecer la comprensión fundamental de la dinámica ultrarrápida asociada con los procesos de dispersión de intervalos mediados por fonones, realizamos una espectroscopia de sonda de bombeo utilizando láseres de pulsos ultracortos de menos de 10 femtosegundos (10 cuadrillonésimas de segundo) y encontramos interesantes señales armónicas de fonones acústicos en la modulación óptica", dijo Bae. "Las señales ya eran bien conocidas en la comunidad de TMD, pero el origen no estaba claro, por lo que nuestra pregunta original que pretendíamos responder era, '¿por qué observamos tales señales de armónicos?'"

La espectroscopia de bomba-sonda consiste en irradiar una muestra del TMD con un pulso láser ultracorto en dos partes. La bomba es un haz fuerte que excita el TMD, lo que hace que el sistema oscile, como si se arrojara una piedra a un estanque para producir ondas concéntricas. La sonda es un haz más débil que rastrea la evolución temporal de las oscilaciones inducidas, las ondas de las vibraciones de la red, también conocidas como fonones, a través de cambios en ciertas constantes ópticas del sistema, como su cantidad de absorción y reflexión.

Los investigadores vieron varias señales, visualizadas como modulaciones ópticas, en órdenes pares e impares de oscilaciones de fonones del TMD monocapa. Analizaron la simetría de los fonones y utilizaron cálculos de primeros principios, o evaluaciones impulsadas por supercomputadoras que describen el estado mecánico cuántico y la dinámica de cada núcleo y electrón en el sistema, de los cuales se pueden extraer detalles de componentes específicos, para revelar que solo el fonón acústico longitudinal en el punto K podría producir la señal de orden impar observada, ya que moduló la luz láser de forma asimétrica, en comparación con la reflexión simétrica del fonón del punto M, que solo produce armónicos pares.

"Los fonones acústicos longitudinales del punto K son responsables de la dispersión interválica ultrarrápida en monocapa de diseleniuro de molibdeno", dijo el coautor correspondiente Jun Takeda, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama. "Normalmente, los fonones de punto K no pueden modular las propiedades ópticas debido al gran desajuste entre el vector de onda, la dirección y la magnitud, de la luz incidente y la de los fonones".

Takeda dijo que, en los TMD, sin embargo, la alta simetría de la red cristalina bidimensional permite que los fonones acústicos del punto K modulen la respuesta óptica y generen señales en múltiples frecuencias.

"Este trabajo demuestra la importancia del enfoque combinado de espectroscopia ultrarrápida con análisis de simetría y cálculos de primeros principios para revelar la física subyacente del proceso de dispersión de intervalos en materiales valletrónicos", dijo el coautor Ikufumi Katayama, profesor de la Escuela de Graduados de la Universidad Nacional de Yokohama. Ciencia ingeniera.

"A continuación, nos gustaría extender estos enfoques a otros sistemas de materiales bidimensionales exóticos para futuras aplicaciones electrónicas y de valletrónicos y establecer formas de manipular las propiedades ópticas y físicas en escalas de tiempo ultrarrápidas". + Explora más

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