Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'Université de Californie, Bord de rivière, a observé l'émission de lumière d'un nouveau type de transition entre les vallées électroniques, connu sous le nom de transmissions à intervalles.

La recherche offre une nouvelle façon de lire les informations sur la vallée, potentiellement conduire à de nouveaux types d'appareils.

La technologie actuelle des semi-conducteurs utilise une charge électronique ou un spin pour stocker et traiter les informations; les technologies associées sont appelées électronique et spintronique, respectivement. Certains semi-conducteurs contiennent des vallées d'énergie locales dans leur structure de bande d'électrons qui peuvent être utilisées pour coder, traiter, et stocker des informations, donnant naissance à un nouveau type de technologie appelée valleytronics.

"Valleytronics offre une voie alternative à l'ingénierie des systèmes d'information en plus de l'électronique conventionnelle et de la spintronique, " dit Chun Hung "Joshua" Lui, professeur adjoint au Département de physique et d'astronomie de l'UC Riverside, qui a dirigé la recherche sur les transitions d'intervalle dans le diséléniure de tungstène monocouche (WSe 2 ). "Notre nouveau travail peut accélérer le développement de valleytronics."

Monocouche WSe 2 est un matériau valleytronic prometteur car il possède deux vallées avec des caractéristiques dynamiques opposées dans la structure de bande. De plus, ce matériau peut interagir fortement avec la lumière, prometteuse pour les applications valleytronic contrôlables optiquement.

Excitateurs

Lorsque monocouche WSe 2 absorbe un photon, un électron lié peut être libéré dans une vallée, laissant un vide d'électrons, ou trou. Comme le trou se comporte comme un électron avec une charge positive, l'électron et le trou peuvent s'attirer pour former un état lié appelé exciton. Un tel exciton, avec à la fois son électron et son trou dans la même vallée, est appelé un exciton intravalley. La recherche actuelle sur les excitons dans les semi-conducteurs de vallée monocouche se concentre principalement sur les excitons intravalley, qui peut émettre de la lumière.

Un électron et un trou dans des vallées opposées peuvent également former un exciton, appelé exciton d'intervalle, qui est un nouveau composant de valleytronics. La loi de conservation de la quantité de mouvement, cependant, interdit à un électron et à un trou dans des vallées opposées de se recombiner directement pour émettre de la lumière. Par conséquent, les excitons d'intervalle sont "sombres" et cachés dans le spectre optique.

L'équipe de recherche dirigée par l'UCR a maintenant observé l'émission de lumière des excitons d'intervalle dans la monocouche WSe 2 . L'équipe a découvert que bien que les excitons d'intervalle soient intrinsèquement sombres, ils peuvent émettre une quantité importante de lumière à l'aide de défauts ou de vibrations de réseau dans le matériau.

"La diffusion avec des défauts ou des vibrations de réseau peut compenser le décalage de quantité de mouvement entre un électron et un trou dans des vallées opposées, " a dit Lui. " Cela nous permet d'observer l'émission de lumière des excitons d'intervalle. "

"Bien que le processus implique une diffusion avec des défauts ou des vibrations de réseau, l'émission lumineuse à intervalles est polarisée circulairement, " dit Erfou Liu, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lui et le premier auteur du document de recherche. "Une telle polarisation de la lumière circulaire nous permet d'identifier la configuration de la vallée des excitons. Cette configuration de la vallée optiquement lisible est cruciale pour rendre les excitons à intervalles utiles pour les applications valleytronic."

Trions

Outre les excitons, monocouche WSe 2 accueille également des trions, qui se composent de deux électrons et d'un trou ou de deux trous et d'un électron. Les Trions ont également des configurations de vallée bien définies pour les applications valleytronic. Par rapport aux excitons à charge neutre, le mouvement des trions peut être contrôlé par un champ électrique en raison de leur charge électrique nette.

Un trion peut généralement se désintégrer par deux chemins. Par exemple, pour un trion constitué d'une paire électron-trou intravallée et d'un trou dans la vallée opposée à la désintégration, l'électron peut choisir de se recombiner avec le trou de la même vallée ou avec le trou de la vallée opposée. Cela donne lieu à deux chemins de désintégration des trions différents avec une recombinaison électron-trou intravalley et intervalley. La désintégration du trion intravalley a été beaucoup étudiée, mais la désintégration des trions à intervalles n'a pas été signalée jusqu'à présent.

L'équipe dirigée par l'UCR a montré pour la première fois la désintégration des trions à intervalles.

"Bien qu'un trion puisse se désintégrer par désintégration intravallée ou par désintégration, les deux transitions ont la même énergie et se distinguent difficilement dans le spectre optique, " dit Lui. " Mais quand un champ magnétique est appliqué, les énergies des transitions intravalley et intervalley deviendront différentes."

L'équipe a réalisé les expériences au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride. Ils montrent à la fois les chemins de désintégration intravalley et intervalley des trions.

"Nos résultats fournissent une analyse plus complète, image multi-trajets de la dynamique des trions dans la monocouche WSe 2 , " a déclaré Jérémie van Baren, un étudiant diplômé du laboratoire de Lui, qui partage la même paternité avec Liu. "Ils s'appuient sur la description existante à chemin unique des trions dans les matériaux 2D et sont essentiels pour faire progresser la science et la technologie valleytronics basées sur les trions."

Le document de recherche, Publié dans Lettres d'examen physique , s'intitule "Recombinaison optique par trajets multiples d'excitons et de trions sombres à intervalles dans une monocouche WSe 2 ." Des résultats connexes ont été récemment rapportés par deux autres équipes de recherche dirigées par des scientifiques du Rensselaer Polytechnic Institute et de l'Université de Washington.