El término disulfuro de molibdeno puede resultar familiar a algunos conductores y mecánicos de automóviles. No es de extrañar:la sustancia, descubierta por el químico estadounidense Alfred Sonntag en los años 40, todavía se utiliza hoy en día como lubricante de alto rendimiento en motores y turbinas, pero también para pernos y tornillos.
Esto se debe a la estructura química especial de este sólido, cuyas capas individuales de material se pueden desplazar fácilmente unas con respecto a otras. Sin embargo, el disulfuro de molibdeno (químicamente MoS2 ) no sólo lubrica bien, sino que también es posible exfoliar una única capa atómica de este material o cultivarlo sintéticamente a escala de oblea.
El aislamiento controlado de un MoS2 La monocapa se logró hace sólo unos años, pero ya se considera un avance en la ciencia de materiales con un enorme potencial tecnológico. El equipo de Empa ahora quiere trabajar precisamente con esta clase de materiales.
La estructura en capas de las capas atómicas individuales hace que este material sea interesante para los físicos que buscan materiales base para nanocomputadoras de próxima generación. MoS2 —y sus parientes químicos llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMD, por sus siglas en inglés)—son una de las principales "estrellas fugaces" en toda una gama de materiales bidimensionales (2D).
Los TMD son semiconductores 2D y tienen una banda prohibida directa, pero solo como una sola capa, lo que los hace particularmente atractivos para los últimos circuitos integrados miniaturizados o detectores ópticos. Las sólidas propiedades de la mecánica cuántica de los materiales 2D también se están explorando intensamente para su uso en metrología cuántica, criptografía cuántica y tecnología de la información cuántica.
Pero no sólo importa el material base, sino también, sobre todo, la capacidad de gestionar los defectos que contiene:al igual que el dopaje químico de los semiconductores "clásicos" en los circuitos integrados o los iones extraños en los láseres de estado sólido, los defectos atómicos son "como la guinda del pastel". pastel", especialmente en materiales 2D, dijo Schuler.
El investigador de Empa quiere caracterizar los defectos atómicos en los TMD con un nuevo tipo de instrumento e investigar su idoneidad como emisores cuánticos. Los emisores cuánticos forman la interfaz entre dos mundos:el espín del electrón, el análogo mecánico cuántico del par del electrón, que es adecuado para procesar información cuántica, y los fotones, es decir, partículas de luz, que pueden usarse para transmitir información cuántica a largas distancias sin pérdida. .
Los materiales 2D ofrecen la gran ventaja de que las escalas de energía relevantes son mucho mayores que las de los materiales 3D, por lo que se espera que la tecnología pueda usarse en ambientes criogénicos, idealmente incluso a temperatura ambiente. Además, los defectos tienen que localizarse en la superficie del material 2D, lo que los hace mucho más fáciles de encontrar y manipular.
Pero primero, los defectos en el MoS2 bidimensional. Es necesario detectar la capa y investigar con precisión sus propiedades electrónicas y ópticas. Preciso, en este caso significa que el lugar bajo investigación se explora con la precisión de un angstrom. A modo de comparación:1 angstrom es a un metro lo que 4 cm son a la distancia de la Tierra a la Luna (400.000 km).
Y la instantánea utilizada para registrar la excitación electrónica del punto cuántico debe tener una precisión de hasta un picosegundo (ps):1 ps es una fracción de segundo tan pequeña como dos días se comparan con la edad del planeta Tierra (5 mil millones de años). ).
Estas mediciones ultracortas y atómicamente precisas proporcionan una imagen muy detallada de qué procesos dinámicos están ocurriendo a escala atómica y qué factores están afectando esos procesos.
Un aparato formado por dos mitades
El aparato con el que se realizarán los experimentos ya se encuentra en una habitación del sótano del edificio del laboratorio de Empa en Dübendorf, donde el suelo es más estable. "Hemos invertido más de un año y medio en trabajo de preparación y desarrollo para completar nuestra instalación experimental", explica Bruno Schuler.
"En octubre de 2022 conectamos las dos mitades de nuestro sistema y pudimos medir por primera vez las corrientes inducidas por ondas de luz. El principio funciona. Un gran hito en el proyecto."
Las dos mitades con las que trabajará ahora el equipo de Schuler son, por un lado, un microscopio de efecto túnel (STM). Se utiliza una punta ultrafina para escanear la superficie atómica de la muestra. Los científicos colocarán la punta en un sitio defectuoso, es decir, una vacante o un átomo "extraño" en la estructura.
Entonces entra en juego la segunda mitad del sistema, que ha creado el colega de Schuler, Jonas Allerbeck:un láser infrarrojo de 50 vatios envía pulsos láser ultracortos sobre un cristal de niobato de litio no lineal. Esto genera un pulso electromagnético de fase estable en el rango de frecuencia de los terahercios. Este pulso es solo una oscilación de luz y se puede dividir con una óptica especial en un par de pulsos de bomba y sonda, los cuales se suceden con un retraso variable y pueden medir la dinámica de los electrones de manera estroboscópica.
Luego, los dos pulsos se envían al STM y se dirigen a la punta de la sonda. El primer pulso desprende un electrón de la punta, que "salta" al lugar defectuoso del MoS2 bidimensional. capa y excita los electrones allí. "Esto puede ser una carga eléctrica, una excitación de espín, una vibración de red o un par de huecos de electrones que creamos allí", explica Schuler.
"Con el segundo pulso, unos picosegundos más tarde observamos cómo respondió nuestro sitio defectuoso al pulso de excitación y así podemos estudiar los procesos de decoherencia y la transferencia de energía al sustrato".
De esta manera, Schuler es uno de los pocos especialistas en el mundo que combina una resolución de picosegundos en tiempos cortos con un método que puede detectar átomos individuales. El equipo hace uso de la localización intrínseca de estados en el sistema material 2D para mantener las excitaciones en un lugar el tiempo suficiente para ser detectadas.
"El microscopio de sonda de barrido de ondas de luz ultrarrápido permite obtener nuevos conocimientos fascinantes sobre los procesos mecánicos cuánticos a escala atómica, y los materiales 2D son una plataforma de materiales única para crear estos estados de forma controlada", afirma el investigador de Empa.
Proporcionado por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales
