Strati ultrasottili di diseleniuro di tungsteno hanno potenziali applicazioni nell'optoelettronica e nelle tecnologie quantistiche. I ricercatori della LMU hanno ora esplorato come questo materiale interagisce con la luce in presenza di forti campi magnetici.

Grazie alle loro proprietà sorprendenti e versatili, forme atomicamente sottili monostrato e bistrato di dicalcogenuri semiconduttori di metalli di transizione hanno suscitato grande interesse negli ultimi anni. La maggior parte dell'attenzione è stata finora rivolta alle proprietà ottiche di questi materiali, come il solfuro di molibdeno (MoS) e il diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ). Questi composti mostrano grandi promesse come elementi su scala nanometrica per applicazioni nelle tecnologie optoelettroniche e quantistiche.

In un nuovo studio, I fisici LMU guidati da Alexander Högele hanno ora sviluppato un modello teorico, che descrive gli effetti dei campi magnetici sul comportamento degli eccitoni nei dicalcogenuri di metalli di transizione ultrasottili bidimensionali. Gli eccitoni sono quasiparticelle fortemente legate, composto da un elettrone nella banda di conduzione e dalla sua controparte carica positivamente nella banda di valenza denominata lacuna. In presenza di forti campi magnetici, gli stati energetici di tali quasiparticelle (cioè le frequenze alle quali emettono e assorbono la luce) si dividono. Questa suddivisione spettrale può essere misurata sperimentalmente e, cosa ancora più importante nel presente contesto, può anche essere prevista teoricamente.

Nello studio, il team ha raffreddato campioni monostrato e bistrato di WSe ₂ alla temperatura dell'elio liquido di pochi gradi Kelvin. I ricercatori hanno quindi utilizzato la spettroscopia ottica per misurare gli spettri di emissione in funzione del campo magnetico fino a 9 Tesla e hanno determinato la scissione indotta dal campo. "Misure come questa sono utili per studiare gli eccitoni, che a loro volta determinano l'interazione luce-materia dei semiconduttori, " spiega Högele.

Era già noto che gli eccitoni possono formarsi in diverse configurazioni. Oltre agli eccitoni luminosi, che si accoppiano direttamente alla luce, l'accoppiamento di elettroni e lacune può produrre eccitoni scuri di spin e scuri di momento. Fino ad ora, non è stato possibile assegnare in modo definitivo le firme osservate negli spettri di emissione a queste diverse specie di eccitoni. In presenza di campo magnetico, però, i singoli picchi di emissione mostrano suddivisioni spettrali caratteristici. "Questa suddivisione può essere utilizzata per discriminare tra i vari tipi di eccitoni, " dice Högele, "ma solo se abbiamo il modello teorico corrispondente." Il team LMU ha sviluppato la teoria per calcolare dai primi principi la suddivisione spettrale per i diversi tipi di eccitoni in WSe monostrato e bistrato ₂ sottoposto a campo magnetico, e confrontato le loro previsioni teoriche con i dati sperimentali.

I risultati forniscono una migliore comprensione delle proprietà optoelettroniche di WSe ₂ e relativi dicalcogenuri di metalli di transizione in cui gli eccitoni rappresentano l'interfaccia primaria per l'interazione della luce con la materia su scala nanometrica. Strati ultrasottili di WSe ₂ servire come banco di prova per gli sfruttamenti tecnologici dell'accoppiamento luce-materia in dispositivi optoelettronici inclusi fotorivelatori ed emettitori o dispositivi fotovoltaici. "Questi materiali ultrasottili sono meccanicamente flessibili ed estremamente compatti, " dice Högele. Sono anche potenzialmente praticabili per le tecnologie quantistiche poiché ospitano valli come gradi di libertà quantistici che possono fungere da qubit, le unità di base dell'elaborazione delle informazioni nei computer quantistici.