Um artigo publicado em Nature Communications por Sufei Shi, professor assistente de engenharia química e biológica na Rensselaer, aumenta nossa compreensão de como a luz interage com semicondutores atomicamente finos e cria partículas complexas excitônicas exclusivas, múltiplos elétrons, e os buracos fortemente unidos. Essas partículas possuem um novo grau de liberdade quântica, chamado de "rotação do vale". O "spin vale" é semelhante ao spin dos elétrons, que tem sido amplamente utilizado no armazenamento de informações, como discos rígidos, e também é um candidato promissor para a computação quântica.

O papel, intitulado "Revelando os complexos biexciton e trion-exciton em WSe2 encapsulado em BN, "foi publicado em 13 de setembro, 2018, edição de Nature Communications . Os resultados desta pesquisa podem levar a novas aplicações em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, como a captação de energia solar, novos tipos de lasers, e detecção quântica.

A pesquisa de Shi se concentra em materiais quânticos de baixa dimensão e seus efeitos quânticos, com um interesse particular em materiais com fortes interações luz-matéria. Esses materiais incluem grafeno, dicacogenetos de metal de transição (TMDs), como disseleneto de tungstênio (WSe2), e isolantes topológicos.

Os TMDs representam uma nova classe de semicondutores atomicamente finos com propriedades ópticas e optoeletrônicas superiores. A excitação óptica nos TMDs bidimensionais de camada única irá gerar um par elétron-buraco fortemente ligado, chamado de exciton, em vez de elétrons e lacunas em movimento livre, como nos semicondutores tradicionais em massa. Isso se deve à energia de ligação gigante em TMDs de monocamada, que é ordens de magnitude maior do que os semicondutores convencionais. Como resultado, o exciton pode sobreviver à temperatura ambiente e, portanto, pode ser usado para a aplicação de dispositivos excitônicos.

Conforme a densidade do exciton aumenta, mais elétrons e lacunas se emparelham, formando complexos excitônicos de quatro e até cinco partículas. Uma compreensão dos complexos excitônicos de muitas partículas não só dá origem a uma compreensão fundamental da interação luz-matéria em duas dimensões, também leva a novas aplicações, uma vez que os complexos excitônicos de muitas partículas mantêm as propriedades do "spin vale" melhor do que o exciton. Contudo, apesar dos recentes desenvolvimentos na compreensão de excitons e trions em TMDs, disse Shi, uma medida inequívoca da energia de ligação do biexciton permaneceu indefinida.

"Agora, pela primeira vez, revelamos o verdadeiro estado biexciton, um complexo único de quatro partículas respondendo à luz, "disse Shi." Também revelamos a natureza do biexciton carregado, um complexo de cinco partículas. "

Na Rensselaer, A equipe de Shi desenvolveu uma maneira de construir uma amostra extremamente limpa para revelar essa interação única de luz-matéria. O dispositivo foi construído empilhando vários materiais atomicamente finos, incluindo grafeno, nitreto de boro (BN), e WSe2, por meio da interação de van der Waals (vdW), representando a técnica de fabricação de última geração de materiais bidimensionais.

Este trabalho foi realizado em colaboração com o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Tallahasee, Flórida, e pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, bem como com Shengbai Zhang, o Professor Kodosky Constellation no Departamento de Física, Física aplicada, e Astronomia em Rensselaer, cujo trabalho desempenhou um papel crítico no desenvolvimento de uma compreensão teórica do biexciton.

Os resultados desta pesquisa podem levar a uma robusta física óptica de muitas partículas, e ilustrar possíveis novas aplicações baseadas em semicondutores 2-D, Shi disse. Shi recebeu financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. Zhang foi apoiado pelo Departamento de Energia, Escritório de Ciências.

A pesquisa também foi recentemente apresentada em Nature Nanotechnology .