Um novo processo de fabricação do tipo sanduíche, colocando um semicondutor com apenas um átomo de espessura entre dois espelhos, permitiu que os pesquisadores australianos dessem um passo significativo em direção à eletrônica de energia ultrabaixa baseada nas partículas híbridas de matéria leve, exciton-polaritons.

O estudo, liderado pela Australian National University, demonstrado robusto, propagação sem dissipação de um exciton misturado com luz refletida entre os espelhos de alta qualidade.

A eletrônica convencional depende do fluxo de elétrons, ou 'buracos' (um buraco é a ausência de um elétron, ou seja, uma quasipartícula carregada positivamente).

Contudo, um grande campo da eletrônica do futuro concentra-se, em vez de no uso de excitons (um elétron ligado a um buraco) porque, em princípio, eles poderiam fluir em um semicondutor sem perder energia, formando um estado superfluido coletivo. E excitons no romance, semicondutores atomicamente finos estudados ativamente são estáveis ​​à temperatura ambiente.

Semicondutores atomicamente finos são, portanto, uma classe promissora de materiais para aplicações de baixa energia, como novos transistores e sensores. Contudo, precisamente porque eles são tão finos, suas propriedades, incluindo o fluxo de excitons, são fortemente afetados por desordem ou imperfeições, que pode ser introduzido durante a fabricação.

A equipe FLEET liderada pela ANU - com colegas da Swinburne University e da instituição FLEET Partner Wroclaw University - acoplou os excitons em um material atomicamente fino à luz para demonstrar pela primeira vez sua propagação de longo alcance sem qualquer dissipação de energia, à temperatura ambiente.

Quando um exciton (matéria) se liga a um fóton (luz), ele forma uma nova partícula híbrida - um exciton-polariton. Capturar luz entre dois espelhos paralelos de alta qualidade em uma microcavidade óptica permite que isso aconteça.

No novo estudo, um novo processo de fabricação do tipo sanduíche para a microcavidade óptica permitiu aos pesquisadores minimizar os danos ao semicondutor atomicamente fino e maximizar a interação entre os excitons e os fótons. Os exciton-polaritons formados nesta estrutura foram capazes de se propagar sem dissipação de energia por dezenas de micrômetros, a escala típica de um microchip eletrônico.

A construção da microcavidade é a chave

Uma microcavidade ótica de alta qualidade que garante a longevidade do componente de luz (fotônico) de exciton-polaritons é a chave para essas observações.

O estudo descobriu que exciton-polaritons podem se tornar notavelmente estáveis ​​se a microcavidade for construída de uma maneira particular, evitando danos do semicondutor frágil imprensado entre os espelhos durante a fabricação.

"A escolha do material atomicamente fino no qual os excitons viajam é muito menos importante, "diz o autor principal e correspondente Matthias Wurdack.

“Descobrimos que a construção dessa microcavidade era a chave, "diz Matthias, "E embora tenhamos usado sulfeto de tungstênio (WS2) neste experimento específico, acreditamos que qualquer outro material TMDC atomicamente fino também funcionaria. "

(Dichalcogenetos de metais de transição são excelentes hospedeiros para excitons, hospedando excitons que são estáveis ​​à temperatura ambiente e interagem fortemente com a luz).

A equipe construiu a microcavidade empilhando todos os seus componentes um por um. Primeiro, um espelho inferior da microcavidade é fabricado, em seguida, uma camada semicondutora é colocada nele, e então a microcavidade é completada colocando outro espelho em cima. Criticamente, a equipe não depositou a estrutura do espelho superior diretamente no semicondutor atomicamente fino notoriamente frágil, que é facilmente danificado durante qualquer processo de deposição de material.

"Em vez de, fabricamos toda a estrutura superior separadamente, e, em seguida, coloque-o no topo do semicondutor mecanicamente, como fazer um sanduíche, "diz Matthias.

"Assim, evitamos qualquer dano ao semicondutor atomicamente fino, e preservar as propriedades de seus excitons. "

Importante, os pesquisadores otimizaram este método de sanduíche para tornar a cavidade muito curta, que maximizou a interação excêntrico-fóton.

"Também nos beneficiamos de um pouco de sorte, "diz Matthias." Um acidente de fabricação que acabou sendo a chave do nosso sucesso! "

O "acidente" fortuito veio na forma de uma lacuna de ar entre os dois espelhos, tornando-os não estritamente paralelos.

Esta cunha na microcavidade cria uma "inclinação" de tensão / potencial para os polaritons de excitons, com as partículas se movendo para cima ou para baixo na inclinação.

Os pesquisadores descobriram que uma proporção de exciton-polaritons viaja com a conservação da energia total (potencial e cinética), tanto para cima quanto para baixo na inclinação. Descendo a encosta, eles convertem sua energia potencial em igual quantidade de energia cinética, e vice versa.

Essa conservação perfeita de energia total significa que nenhuma energia está sendo perdida no calor (devido ao 'atrito'), que sinaliza transporte 'balístico' ou sem dissipação para polaritons. Mesmo que os polaritons neste estudo não formem um superfluido, a ausência de dissipação é alcançada porque todos os processos de dispersão que levam à perda de energia são suprimidos.

"Esta demonstração, pela primeira vez, do transporte balístico de polaritons à temperatura ambiente em TMDCs atomicamente finos é um passo significativo em direção ao futuro, eletrônica baseada em excitons de energia ultrabaixa, "diz o líder do grupo, Prof Elena Ostrovskaya (ANU).

Além de criar o potencial "declive, "aquele mesmo acidente de fabricação criou um poço potencial para exciton-polaritons. Isso permitiu aos pesquisadores capturar e acumular os exciton-polaritons viajantes no poço - um primeiro passo essencial para prendê-los e guiá-los em um microchip."

Longo alcance, fluxo à temperatura ambiente de exciton-polaritons

Além disso, os pesquisadores confirmaram que os exciton-polaritons podem se propagar no semicondutor atomicamente fino por dezenas de micrômetros (suficientemente longe para a eletrônica funcional), sem espalhar em defeitos de material. Isso contrasta com os excitons nesses materiais, cujo comprimento de viagem é drasticamente reduzido por esses defeitos.

Além disso, os exciton-polaritons foram capazes de preservar sua coerência intrínseca (correlação entre o sinal em diferentes pontos no espaço e no tempo), o que é um bom presságio para seu potencial como portadores de informações.

"Este de longo alcance, transporte coerente foi alcançado em temperatura ambiente, que é importante para o desenvolvimento de aplicações práticas de semicondutores atomicamente finos ", disse Matthias Wurdack.

Se os futuros dispositivos excitônicos forem viáveis, alternativa de baixa energia para dispositivos eletrônicos convencionais, eles devem ser capazes de operar em temperatura ambiente, sem a necessidade de resfriamento que consome muita energia.

"Na verdade, contra-intuitivamente, nossos cálculos mostram que o comprimento de propagação está ficando mais longo em temperaturas mais altas, o que é importante para aplicações tecnológicas, "disse Matthias.

"Estreitamento de movimento, transporte balístico, e o aprisionamento de polaritons de excitons à temperatura ambiente em um semicondutor atomicamente fino "foi publicado em Nature Communications em setembro de 2021.