Les couches ultrafines de diséléniure de tungstène ont des applications potentielles dans les technologies optoélectroniques et quantiques. Les chercheurs du LMU ont maintenant exploré comment ce matériau interagit avec la lumière en présence de champs magnétiques puissants.

En raison de leurs propriétés étonnantes et polyvalentes, Les formes monocouche et bicouche atomiquement minces de dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs ont suscité un grand intérêt ces dernières années. Jusqu'à présent, l'attention s'est portée sur les propriétés optiques de ces matériaux, tels que le sulfure de molybdène (MoS) et le diséléniure de tungstène (WSe 2 ). Ces composés sont très prometteurs en tant qu'éléments à l'échelle nanométrique pour des applications dans les technologies optoélectroniques et quantiques.

Dans une nouvelle étude, Les physiciens du LMU dirigés par Alexander Högele ont maintenant développé un modèle théorique, qui décrit les effets des champs magnétiques sur le comportement des excitons dans les dichalcogénures de métaux de transition ultraminces bidimensionnels. Les excitons sont des quasiparticules fortement liées, composé d'un électron dans la bande de conduction et de son homologue chargé positivement dans la bande de valence appelé trou. En présence de champs magnétiques intenses, les états énergétiques de ces quasiparticules (c'est-à-dire les fréquences auxquelles elles émettent et absorbent la lumière) se séparent. Cette division spectrale peut être mesurée expérimentalement et, plus important encore dans le contexte actuel, elle peut également être prédite théoriquement.

Dans l'étude, l'équipe a refroidi des échantillons monocouche et bicouche de WSe 2 à la température de l'hélium liquide de quelques degrés Kelvin. Les chercheurs ont ensuite utilisé la spectroscopie optique pour mesurer les spectres d'émission en fonction du champ magnétique jusqu'à 9 Tesla et ont déterminé la division induite par le champ. "Des mesures comme celle-ci sont utiles pour étudier les excitons, qui à leur tour déterminent l'interaction lumière-matière des semi-conducteurs, " explique Högele.

On savait déjà que les excitons peuvent se former dans différentes configurations. En plus des excitons lumineux, qui se couplent directement à la lumière, l'appariement des électrons et des trous peut produire des excitons spin-dark et momentum-dark. Jusqu'à maintenant, il n'a pas été possible d'attribuer de façon concluante les signatures observées dans les spectres d'émission à ces différentes espèces d'excitons. En présence de champ magnétique, cependant, les pics d'émission individuels présentent des séparations spectrales caractéristiques. "Cette division peut être utilisée pour discriminer entre les différents types d'excitons, " dit Högele, "mais seulement si nous avons le modèle théorique correspondant." L'équipe LMU a développé une théorie pour calculer à partir de premiers principes la division spectrale pour les différents types d'excitons en monocouche et bicouche WSe 2 soumis à un champ magnétique, et comparé leurs prédictions théoriques avec les données expérimentales.

Les résultats permettent de mieux comprendre les propriétés opto-électroniques du WSe 2 et les dichalcogénures de métaux de transition apparentés où les excitons représentent l'interface principale permettant à la lumière d'interagir avec la matière à l'échelle nanométrique. Couches ultrafines de WSe 2 servir de banc d'essai pour les exploitations technologiques du couplage lumière-matière dans les dispositifs opto-électroniques incluant les photodétecteurs et émetteurs ou les dispositifs photovoltaïques. « Ces matériaux ultrafins sont mécaniquement flexibles et extrêmement compacts, " dit Högele. Ils sont également potentiellement viables pour les technologies quantiques car ils hébergent des vallées en tant que degrés de liberté quantiques pouvant servir de qubits, les unités de base du traitement de l'information dans les ordinateurs quantiques.