Un nuovo processo di fabbricazione "stile sandwich" che posiziona un semiconduttore sottile solo un atomo tra due specchi ha permesso ai ricercatori australiani di fare un passo significativo verso l'elettronica a bassissima energia basata sulle particelle ibride di materia leggera eccitone-polaritoni.

Lo studio, guidato dalla Australian National University, dimostrato robusto, propagazione senza dissipazione di un eccitone misto a luce che rimbalza tra gli specchi di alta qualità.

L'elettronica convenzionale si basa sul flusso di elettroni, o "buchi" (un buco è l'assenza di un elettrone, cioè una quasiparticella carica positivamente).

Però, un campo importante dell'elettronica futura si concentra invece sull'uso degli eccitoni (un elettrone legato a una lacuna) perché, in linea di principio, potrebbero fluire in un semiconduttore senza perdere energia formando uno stato superfluido collettivo. E gli eccitoni nel romanzo, i semiconduttori atomicamente sottili studiati attivamente sono stabili a temperatura ambiente.

I semiconduttori atomicamente sottili sono quindi una classe promettente di materiali per applicazioni a bassa energia come nuovi transistor e sensori. Però, proprio perché sono così sottili, le loro proprietà, compreso il flusso di eccitoni, sono fortemente affetti da disordine o imperfezioni, che può essere introdotto durante la fabbricazione.

Il team FLEET guidato dall'ANU, con i colleghi della Swinburne University e dell'istituto FLEET Partner Wroclaw University, ha accoppiato gli eccitoni in un materiale atomicamente sottile alla luce per dimostrare per la prima volta la loro propagazione a lungo raggio senza alcuna dissipazione di energia, a temperatura ambiente.

Quando un eccitone (materia) si lega a un fotone (luce), forma una nuova particella ibrida, un polaritone eccitone. Intrappolare la luce tra due specchi paralleli di alta qualità in una microcavità ottica permette che ciò accada.

Nel nuovo studio, un nuovo processo di fabbricazione "stile sandwich" per la microcavità ottica ha permesso ai ricercatori di ridurre al minimo i danni al semiconduttore atomicamente sottile e di massimizzare l'interazione tra gli eccitoni ei fotoni. Gli eccitoni-polaritoni formati in questa struttura erano in grado di propagarsi senza dissipazione di energia attraverso decine di micrometri, la scala tipica di un microchip elettronico.

La costruzione della microcavità è la chiave

Una microcavità ottica di alta qualità che garantisce la longevità della componente luminosa (fotonica) degli eccitoni-polaritoni è la chiave di queste osservazioni.

Lo studio ha scoperto che gli eccitoni-polaritoni possono essere resi notevolmente stabili se la microcavità è costruita in un modo particolare, evitando danni al fragile semiconduttore inserito tra gli specchi durante la fabbricazione.

"La scelta del materiale atomicamente sottile in cui viaggiano gli eccitoni è molto meno importante, ", afferma Matthias Wurdack, autore principale e corrispondente.

"Abbiamo scoperto che la costruzione di quella microcavità era la chiave, "dice Mattia, "E mentre abbiamo usato il solfuro di tungsteno (WS2) in questo particolare esperimento, crediamo che anche qualsiasi altro materiale TMDC atomicamente sottile funzionerebbe."

(I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono ospiti eccellenti per gli eccitoni, ospitano eccitoni che sono stabili a temperatura ambiente e interagiscono fortemente con la luce).

Il team ha costruito la microcavità impilando tutti i suoi componenti uno per uno. Primo, viene fabbricato uno specchio inferiore della microcavità, quindi viene posizionato uno strato di semiconduttore su di esso, e poi si completa la microcavità ponendoci sopra un altro specchio. criticamente, il team non ha depositato la struttura dello specchio superiore direttamente sul notoriamente fragile semiconduttore atomicamente sottile, che viene facilmente danneggiato durante qualsiasi processo di deposizione del materiale.

"Anziché, fabbrichiamo l'intera struttura superiore separatamente, e quindi posizionarlo meccanicamente sopra il semiconduttore, come fare un panino, "dice Mattia.

"Così evitiamo qualsiasi danno al semiconduttore atomicamente sottile, e preservare le proprietà dei suoi eccitoni."

È importante sottolineare che i ricercatori hanno ottimizzato questo metodo di sandwich per rendere la cavità molto corta, che massimizza l'interazione eccitone-fotone.

"Abbiamo anche beneficiato di un po' di serendipità, "dice Matthias. "Un incidente di fabbricazione che ha finito per essere la chiave del nostro successo!"

Il fortuito "incidente" è avvenuto sotto forma di un'intercapedine d'aria tra i due specchi, rendendoli non strettamente paralleli.

Questo cuneo nella microcavità crea una "pendenza" di tensione/potenziale per gli eccitoni-polaritoni, con le particelle che si muovono su o giù per la pendenza.

I ricercatori hanno scoperto che una parte degli eccitoni-polaritoni viaggia con la conservazione dell'energia totale (potenziale e cinetica), sia in salita che in discesa. Viaggiando giù per il pendio, convertono la loro energia potenziale in uguale quantità di energia cinetica, e viceversa.

Quella perfetta conservazione dell'energia totale significa che nessuna energia viene persa in calore (a causa dell'"attrito"), che segnala il trasporto "balistico" o senza dissipazione per i polaritoni. Anche se i polaritoni in questo studio non formano un superfluido, l'assenza di dissipazione si ottiene perché vengono soppressi tutti i processi di dispersione che portano alla perdita di energia.

"Questa dimostrazione, per la prima volta, del trasporto balistico di polaritoni a temperatura ambiente in TMDC atomicamente sottili è un passo significativo verso il futuro, elettronica a bassissima energia basata su eccitoni, " afferma la capogruppo Prof Elena Ostrovskaya (ANU).

Oltre a creare la potenziale "pendenza, "Quello stesso incidente di fabbricazione ha creato un potenziale pozzo per eccitoni-polaritoni. Ciò ha permesso ai ricercatori di catturare e accumulare gli eccitoni-polaritoni in viaggio nel pozzo, un primo passo essenziale per intrappolarli e guidarli su un microchip".

Lungo raggio, flusso a temperatura ambiente di eccitoni-polaritoni

Per di più, i ricercatori hanno confermato che gli eccitoni-polaritoni possono propagarsi nel semiconduttore atomicamente sottile per decine di micrometri (abbastanza facilmente per l'elettronica funzionale), senza dispersione sui difetti materiali. Questo è in contrasto con gli eccitoni in questi materiali, la cui lunghezza della corsa è drasticamente ridotta da questi difetti.

Inoltre, gli eccitoni-polaritoni sono stati in grado di preservare la loro coerenza intrinseca (correlazione tra segnale in punti diversi nello spazio e nel tempo), il che fa ben sperare per il loro potenziale come portatori di informazioni.

"Questo lungo raggio, il trasporto coerente è stato ottenuto a temperatura ambiente, che è importante per lo sviluppo di applicazioni pratiche di semiconduttori atomicamente sottili", ha affermato Matthias Wurdack.

Se i futuri dispositivi eccitonici devono essere una soluzione praticabile, alternativa a basso consumo energetico ai dispositivi elettronici convenzionali, devono poter funzionare a temperatura ambiente, senza la necessità di un raffreddamento ad alta intensità energetica.

"Infatti, controintuitivamente, i nostri calcoli mostrano che la lunghezza di propagazione si allunga a temperature più elevate, importante per le applicazioni tecnologiche, " disse Mattia.

"Restringimento del movimento, trasporto balistico, e l'intrappolamento di polaritoni eccitoni a temperatura ambiente in un semiconduttore atomicamente sottile" è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura a settembre 2021.