Un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura di Sufei Shi, assistente professore di ingegneria chimica e biologica a Rensselaer, aumenta la nostra comprensione di come la luce interagisce con semiconduttori atomicamente sottili e crea particelle complesse eccitoniche uniche, più elettroni, e fori fortemente legati insieme. Queste particelle possiedono un nuovo grado di libertà quantistico, chiamato "giro di valle". Lo "spin di valle" è simile allo spin degli elettroni, che è stato ampiamente utilizzato nell'archiviazione di informazioni come i dischi rigidi ed è anche un candidato promettente per l'informatica quantistica.

La carta, intitolato "Rivelazione dei complessi bieccitone e trione-eccitone in BN incapsulato WSe2, " è stato pubblicato il 13 settembre, 2018, edizione di Comunicazioni sulla natura . I risultati di questa ricerca potrebbero portare a nuove applicazioni nei dispositivi elettronici e optoelettronici, come la raccolta di energia solare, nuovi tipi di laser, e il rilevamento quantistico.

La ricerca di Shi si concentra sui materiali quantistici a bassa dimensione e sui loro effetti quantistici, con un particolare interesse per i materiali con forti interazioni luce-materia. Questi materiali includono grafene, dicacogenuri di metalli di transizione (TMD), come il diseleniuro di tungsteno (WSe2), e isolanti topologici.

I TMD rappresentano una nuova classe di semiconduttori atomicamente sottili con proprietà ottiche e optoelettroniche superiori. L'eccitazione ottica sui TMD bidimensionali a strato singolo genererà una coppia elettrone-lacuna fortemente legata chiamata eccitone, invece di elettroni e lacune che si muovono liberamente come nei semiconduttori sfusi tradizionali. Ciò è dovuto alla gigantesca energia di legame nei TMD monostrato, che è ordini di grandezza maggiore di quello dei semiconduttori convenzionali. Di conseguenza, l'eccitone può sopravvivere a temperatura ambiente e può quindi essere utilizzato per l'applicazione di dispositivi eccitonici.

All'aumentare della densità dell'eccitone, più elettroni e lacune si accoppiano insieme, formando complessi eccitonici a quattro e anche a cinque particelle. La comprensione dei complessi eccitonici a molte particelle non solo dà origine a una comprensione fondamentale dell'interazione luce-materia in due dimensioni, porta anche a nuove applicazioni, poiché i complessi eccitonici a molte particelle mantengono le proprietà di "spin di valle" meglio dell'eccitone. Però, nonostante i recenti sviluppi nella comprensione degli eccitoni e dei trioni nei TMD, disse Shi, una misura univoca dell'energia di legame del bieccitone è rimasta sfuggente.

"Ora, per la prima volta, abbiamo rivelato il vero stato del bieccitone, un complesso unico di quattro particelle che risponde alla luce, " ha detto Shi. "Abbiamo anche rivelato la natura del bieccitone caricato, un complesso di cinque particelle."

A Rensselaer, Il team di Shi ha sviluppato un modo per costruire un campione estremamente pulito per rivelare questa interazione unica tra luce e materia. Il dispositivo è stato costruito impilando più materiali atomicamente sottili insieme, compreso il grafene, nitruro di boro (BN), e WSe2, attraverso l'interazione di van der Waals (vdW), che rappresentano la tecnica di fabbricazione all'avanguardia di materiali bidimensionali.

Questo lavoro è stato eseguito in collaborazione con il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahasee, Florida, e ricercatori del National Institute for Materials Science in Giappone, così come con Shengbai Zhang, il Professore di Costellazione Kodosky nel Dipartimento di Fisica, Fisiche applicate, e Astronomia a Rensselaer, il cui lavoro ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo di una comprensione teorica del bieccitone.

I risultati di questa ricerca potrebbero potenzialmente portare a una robusta fisica ottica a molte particelle, e illustrare possibili nuove applicazioni basate su semiconduttori 2-D, disse Shi. Shi ha ricevuto finanziamenti dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica. Zhang è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia, Ufficio della Scienza.

La ricerca è stata recentemente presentata anche in Nanotecnologia della natura .