Un article publié dans Communication Nature par Sufei Shi, professeur assistant de génie chimique et biologique à Rensselaer, augmente notre compréhension de la façon dont la lumière interagit avec les semi-conducteurs atomiquement minces et crée des particules complexes excitoniques uniques, plusieurs électrons, et les trous fortement liés ensemble. Ces particules possèdent un nouveau degré de liberté quantique, appelé « tour de vallée ». Le "spin de la vallée" est similaire au spin des électrons, qui a été largement utilisé dans le stockage d'informations telles que les disques durs et est également un candidat prometteur pour l'informatique quantique.

Le papier, intitulé "Révéler les complexes biexciton et trion-exciton dans le BN encapsulé WSe2, " a été publié dans le 13 septembre, 2018, édition de Communication Nature . Les résultats de cette recherche pourraient conduire à de nouvelles applications dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques, comme la récupération d'énergie solaire, de nouveaux types de lasers, et la détection quantique.

Les recherches de Shi se concentrent sur les matériaux quantiques de faible dimension et leurs effets quantiques, avec un intérêt particulier pour les matériaux à fortes interactions lumière-matière. Ces matériaux comprennent le graphène, les dichacogénures de métaux de transition (TMD), tels que le diséléniure de tungstène (WSe2), et les isolants topologiques.

Les TMD représentent une nouvelle classe de semi-conducteurs atomiquement minces avec des propriétés optiques et optoélectroniques supérieures. L'excitation optique sur les TMD monocouches bidimensionnelles générera une paire électron-trou fortement liée appelée exciton, au lieu de déplacer librement des électrons et des trous comme dans les semi-conducteurs en vrac traditionnels. Cela est dû à l'énergie de liaison géante dans les TMD monocouches, qui est de plusieurs ordres de grandeur plus grand que celui des semi-conducteurs conventionnels. Par conséquent, l'exciton peut survivre à température ambiante et peut donc être utilisé pour l'application de dispositifs excitoniques.

Lorsque la densité de l'exciton augmente, plus d'électrons et de trous s'apparient, formant des complexes excitoniques à quatre et même cinq particules. Une compréhension des complexes excitoniques à plusieurs particules donne non seulement lieu à une compréhension fondamentale de l'interaction lumière-matière en deux dimensions, elle conduit également à de nouvelles applications, puisque les complexes excitoniques à plusieurs particules maintiennent mieux les propriétés de « spin de vallée » que l'exciton. Cependant, malgré les récents développements dans la compréhension des excitons et des trions dans les TMD, dit Shi, une mesure sans ambiguïté de l'énergie de liaison du biexciton est restée insaisissable.

"Maintenant, pour la première fois, nous avons révélé le véritable état biexciton, un complexe unique de quatre particules répondant à la lumière, " a déclaré Shi. " Nous avons également révélé la nature du biexciton chargé, un complexe de cinq particules."

A Rensselaer, L'équipe de Shi a développé un moyen de construire un échantillon extrêmement propre pour révéler cette interaction lumière-matière unique. L'appareil a été construit en empilant plusieurs matériaux atomiquement minces ensemble, dont le graphène, nitrure de bore (BN), et WSe2, grâce à l'interaction de van der Waals (vdW), représentant la technique de fabrication de pointe de matériaux bidimensionnels.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec le National High Magnetic Field Laboratory de Tallahasee, Floride, et des chercheurs de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon, ainsi qu'avec Shengbai Zhang, le professeur Kodosky Constellation au Département de physique, Physique appliquée, et l'Astronomie à Rensselaer, dont les travaux ont joué un rôle essentiel dans le développement d'une compréhension théorique du biexciton.

Les résultats de cette recherche pourraient potentiellement conduire à une physique optique robuste à plusieurs particules, et illustrer de nouvelles applications possibles basées sur des semi-conducteurs 2D, dit Shi. Shi a reçu un financement du Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force. Zhang a été soutenu par le ministère de l'Énergie, Bureau des sciences.

La recherche a également été récemment présentée dans Nature Nanotechnologie .