Heteroestruturas semicondutoras são essenciais para o desenvolvimento da eletrônica e da optoeletrônica. Muitas aplicações na faixa de frequência infravermelha e terahertz exploram as transições, chamadas transições intersubband, entre estados quantizados em poços quânticos semicondutores. Essas transições intrabanda exibem intensidades de oscilador muito grandes, perto da unidade. Sua descoberta em heteroestruturas de semicondutores III-V representou um enorme impacto dentro da comunidade da física da matéria condensada e desencadeou o desenvolvimento de fotodetectores infravermelhos quânticos, bem como lasers em cascata quântica.

Poços quânticos da mais alta qualidade são normalmente fabricados por epitaxia de feixe molecular (crescimento sequencial de camadas cristalinas), que é uma técnica bem estabelecida. Contudo, ele apresenta duas limitações principais:a correspondência de rede é necessária, restringindo a liberdade de escolha de materiais, e o crescimento térmico causa difusão atômica e aumenta a rugosidade da interface.

Os materiais 2-D podem superar essas limitações, pois formam naturalmente um poço quântico com interfaces atomicamente nítidas. Eles fornecem interfaces livres de defeitos e atomicamente nítidas, permitindo a formação de QWs ideais, livre de heterogeneidades difusivas. Eles não requerem crescimento epitaxial em um substrato compatível e, portanto, podem ser facilmente isolados e acoplados a outros sistemas eletrônicos, como Si CMOS ou sistemas ópticos, como cavidades e guias de onda.

Surpreendentemente, transições intersubband em materiais 2-D de poucas camadas nunca foram estudadas antes, nem experimentalmente nem teoricamente. Assim, em um estudo recente publicado em Nature Nanotechnology , Os pesquisadores do ICFO, Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, liderado pelo ICREA Prof no ICFO Frank Koppens, em colaboração com o Institut Lumière Matière — CNRS, Universidade Técnica da Dinamarca, Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, CIC nanoGUNE, e o Instituto Nacional de Grafeno, relatório sobre os primeiros cálculos teóricos e primeira observação experimental de transições inter-sub-bandas em poços quânticos de materiais semicondutores 2-D de poucas camadas (TMDs).

Em seu experimento, a equipe de pesquisadores aplicou microscopia ótica de varredura por espalhamento de campo próximo (s-SNOM) como uma abordagem inovadora para medições de absorção espectral com uma resolução espacial abaixo de 20 nm. Eles esfoliaram TMDs, que compreendia terraços de diferentes espessuras de camada sobre tamanhos laterais de cerca de alguns micrômetros. Eles observaram diretamente as ressonâncias intersubband para essas diferentes espessuras quânticas de poços dentro de um único dispositivo. Eles também ajustaram eletrostaticamente a densidade do portador de carga e demonstraram a absorção intersubband em ambas as bandas de valência e condução. Essas observações foram complementadas e apoiadas por cálculos teóricos detalhados, revelando efeitos de muitos corpos e não locais.

Os resultados deste estudo pavimentam o caminho para um campo inexplorado nesta nova classe de materiais e oferecem um primeiro vislumbre da física e da tecnologia possibilitadas pelas transições intersubband em materiais 2-D, como detectores infravermelhos, fontes, e lasers com potencial para integração compacta com Si CMOS.