Изображение квантовых состояний в двумерных материалах

Когда некоторые полупроводники поглощают свет, могут образовываться экситоны (или пары частиц, состоящие из электрона, связанного с электронной дыркой). Двумерные кристаллы дисульфида вольфрама (WS2) имеют уникальные экситонные состояния, которые не встречаются в других материалах. Однако эти состояния недолговечны и могут очень быстро переходить от одного к другому.

Ученые разработали новый подход к созданию отдельных изображений этих отдельных квантовых состояний. Отслеживая отдельные квантовые состояния, исследователи показали, что механизмы связи, которые приводят к смешиванию состояний, могут не полностью соответствовать современным теориям.

Слева сверхбыстрые световые импульсы возбуждают и исследуют крошечный образец WS2 толщиной в один слой атомов, испускающих электроны, которые собираются новым детектором, называемым импульсным микроскопом. Справа, полное 3-D распределение энергии-импульса испускаемых электронов. Предоставлено: Университет Стоуни-Брук

Ученые в восторге от дихалькогенидов переходных металлов, семейства кристаллов, которое включает дисульфид вольфрама, потому что они очень сильно поглощают свет, несмотря на то, что имеют толщину всего в несколько атомов. Исследователи могут использовать эти кристаллы для создания новых наноразмерных солнечных элементов или электронных датчиков. Используя новую технику, называемую импульсной микроскопией с временным разрешением, исследователи теперь могут лучше отслеживать переходы между различными квантовыми состояниями экситона. Этот метод широко применим, поэтому ученые теперь могут поместить другие материалы и устройства следующего поколения под этот импульсный микроскоп, чтобы увидеть, как они работают.

Различные индуцированные светом экситонные состояния могут образовываться в монослойных дихалькогенидах переходных металлов (TMD), таких как WS2 при разных условиях. Изменение длины волны или мощности возбуждающего света или температуры кристалла позволяет формироваться или сохраняться различным экситонным состояниям. Свет с круговой поляризацией, где направление электрического поля вращается вокруг направления распространения световой волны, может избирательно создавать экситоны с заданной квантовой спиновой конфигурацией в определенном наборе энергетических зон.

Исследователи из Университета Стоуни-Брук разработали уникальный инструмент, позволяющий напрямую визуализировать этот эффект в различных условиях сверхбыстрого светового возбуждения и распутывать сложную смесь квантовых состояний, которые могут образовываться.

Эти новые результаты, опубликованные в Physical Review Letters, показывают, как сила, связывающая электрон и электронную дырку вместе в экситоне, также способствует очень быстрому соединению или смешиванию различных экситонных состояний. Исследователи продемонстрировали, что этот эффект приводит к смешиванию экситонов с различными конфигурациями спина, сохраняя при этом как энергию, так и импульс в процессе связи.

Удивительно, но результаты показали, что скорость перемешивания экситона не зависела от энергий экситона, как ранее предсказывали исследователи. Это исследование обеспечивает важную экспериментальную поддержку некоторых современных теорий экситонной связи в ВНЧС, но также проливает свет на важные расхождения. Понимание взаимодействия между этими экситонными состояниями является ключевым шагом на пути к использованию потенциала ВНЧС для нанотехнологий и квантового зондирования.

Подробнее: Alice Kunin et al, Momentum-Resolved Exciton Coupling and Valley Polarization Dynamics in Monolayer WS2, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.046202 🔗