Благодаря своим удивительным и универсальным свойствам атомарно тонкие монослойные и двухслойные формы полупроводниковых дихалькогенидов переходных металлов в последние годы вызвали большой интерес. Наибольшее внимание до сих пор уделялось оптическим свойствам этих материалов, таких как сульфид молибдена (MoS) и диселенид вольфрама (WSe2). Эти соединения имеют большие перспективы в качестве наноразмерных элементов для приложений в оптоэлектронных и квантовых технологиях.
В новом исследовании физики LMU под руководством Александра Хогеле разработали теоретическую модель, которая описывает влияние магнитных полей на поведение «экситонов» в двумерных ультратонких дихалькогенидах переходных металлов. Экситоны – это сильно связанные «квазичастицы», состоящие из электрона в зоне проводимости и его положительно заряженного аналога в валентной зоне, называемого «дыркой».
В присутствии сильных магнитных полей энергетические состояния таких квазичастиц (i.е. частоты, на которых они излучают и поглощают свет) расщепляются. Это спектральное расщепление можно измерить экспериментально и, что более важно в данном контексте, его также можно предсказать теоретически.
В новом исследовании команда охлаждала монослойные и двухслойные образцы WSe2 до температуры жидкого гелия в несколько градусов Кельвина.
Затем исследователи использовали оптическую спектроскопию для измерения спектров излучения как функции магнитного поля до 9 Тесла и определили индуцированное полем расщепление. «Подобные измерения полезны для изучения экситонов, которые, в свою очередь, определяют взаимодействие полупроводников с легким веществом», – объясняет Хогеле.
Уже было известно, что экситоны могут образовываться в различных конфигурациях.
В дополнение к ярким экситонам, которые напрямую связываются со светом, спаривание электронов и дырок может производить экситоны с темным спином и темновым импульсом. До сих пор не было возможности окончательно отнести сигнатуры, наблюдаемые в спектрах излучения, к этим различным типам экситонов. Однако в присутствии магнитного поля отдельные пики излучения демонстрируют характерные спектральные расщепления. «Это расщепление можно использовать для различения различных типов экситонов, – говорит Хогеле, – но только если у нас есть соответствующая теоретическая модель.«Команда LMU разработала теорию для расчета из первых принципов спектрального расщепления для различных типов экситонов в монослое и бислое WSe2, подверженных воздействию магнитного поля, и сравнила свои теоретические предсказания с экспериментальными данными.
Результаты обеспечивают лучшее понимание оптоэлектронных свойств WSe2 и связанных с ним дихалькогенидов переходных металлов, где экситоны представляют собой первичный интерфейс для взаимодействия света с веществом наноразмеров.
Ультратонкие слои WSe2 служат испытательной площадкой для технологических испытаний взаимодействия света и вещества в оптоэлектронных устройствах, включая фотодетекторы и эмиттеры или фотоэлектрические устройства. «Эти ультратонкие материалы механически гибки и чрезвычайно компактны», – говорит Хогеле. Они также потенциально жизнеспособны для квантовых технологий, поскольку содержат «долины» как квантовые степени свободы, которые могут служить кубитами, основными единицами обработки информации в квантовых компьютерах.