Eccitando i monostrati di dicalcogenuro di metallo di transizione, semiconduttori atomicamente sottili, con impulsi di pompa ultracorti, gli atomi possono vibrare in modo coerente e modulare le risposte ottiche. Gli impulsi della sonda possono rilevare la modulazione ultraveloce che mostra peculiari armoniche ad alta frequenza dei fononi acustici del punto K. Credito:Yokohama National University
I piccoli materiali nascondono grandi misteri, le cui soluzioni potrebbero portare all'elettronica di prossima generazione. Una collaborazione internazionale guidata da ricercatori con sede in Giappone ha risolto l'unicità dei segnali criptici armonici in un'analisi del diseleniuro di molibdeno, un reticolo cristallino atomicamente sottile con proprietà desiderabili uniche dalla sua forma tridimensionale più voluminosa.
Hanno pubblicato i loro risultati il 25 luglio su Nature Communications .
Il composto appartiene a una famiglia di semiconduttori bidimensionali simili chiamati monostrati di dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD), che hanno tutti strutture a bande elettroniche contenenti le cosiddette valli. I reticoli TMD sono organizzati come esagoni, con il corrispondente vettore d'onda, noto come k-spazio, lungo il lato. Il punto centrale laterale del k-spazio è noto come "punto M" e i sei angoli come "punti K (-K)".
Le valli sono gli avvallamenti e le salite della banda elettronica agli angoli degli esagoni, dove l'energia o le particelle che trasportano informazioni possono muoversi per spingere il materiale all'azione. Tuttavia, le attività intervallate, soprattutto in relazione alla diffusione degli elettroni, sono rimaste sfuggenti. In questo processo, i fononi, o unità di energia che si manifestano come vibrazioni, fanno sì che gli elettroni si disperdano e gli stati di transizione nello spazio degli intervalli a velocità ultraveloce.
Questa polarizzazione della valle, se può essere controllata per indurre o ridurre proprietà specifiche, rende i TMD i candidati più promettenti per le tecnologie avanzate, secondo l'autore corrispondente Soungmin Bae, ricercatore post-dottorato presso il Laboratory for Materials and Structures, Tokyo Institute of Technology. La combinazione di Valley e il potenziale per l'elettronica informa il nome di questo campo di nicchia:Valleytronics.
"Per stabilire la comprensione fondamentale della dinamica ultraveloce associata ai processi di scattering intervallari mediati da fononi, abbiamo eseguito la spettroscopia della sonda a pompa utilizzando laser a impulsi ultracorti inferiori a 10 femtosecondi - 10 quadrilionesimo di secondo - e abbiamo trovato interessanti segnali armonici di fononi acustici in la modulazione ottica", ha detto Bae. "I segnali erano già ben noti nella comunità dei TMD, ma l'origine non era chiara, quindi la nostra domanda originale a cui miravamo a rispondere era:'perché osserviamo tali segnali armonici?'"
La spettroscopia con sonda a pompa prevede l'irradiazione di un campione del TMD con un impulso laser ultracorto in due parti. La pompa è un forte raggio che eccita il TMD, facendo oscillare il sistema, come lanciare un sasso in uno stagno per produrre onde concentriche. La sonda è un raggio più debole che segue l'evoluzione temporale delle oscillazioni indotte - le onde delle vibrazioni del reticolo, note anche come fononi - attraverso i cambiamenti in alcune costanti ottiche del sistema, come la sua quantità di assorbimento e riflessione.
Il professor Ikufumi Katayama della Yokohama National University (a destra) e il dottor Soungmin Bae del Tokyo Institute of Technology (a sinistra) hanno co-guidato il gruppo di ricerca che ha scoperto la fonte di segnali misteriosi nei materiali semiconduttori bidimensionali con l'aiuto di uno spettrometro fononico coerente . Credito:Yokohama National University
I ricercatori hanno visto diversi segnali, visualizzati come modulazioni ottiche, sia agli ordini pari che dispari di oscillazioni fononiche dal TMD monostrato. Hanno analizzato la simmetria dei fononi e hanno utilizzato i calcoli dei primi principi - o valutazioni basate su supercomputer che descrivono lo stato e la dinamica quantomeccanica di ogni nucleo ed elettrone nel sistema, da cui è possibile estrarre i dettagli di componenti specifici - per rivelare che solo il fonone acustico longitudinale nel punto K potrebbe produrre il segnale di ordine dispari osservato poiché modulava la luce laser in modo asimmetrico, rispetto alla riflessione simmetrica del fonone del punto M, che produce solo sfumature pari.
"I fononi acustici longitudinali del punto K sono responsabili della dispersione a intervalli ultraveloci nel diseleniuro di molibdeno monostrato", ha affermato Jun Takeda, professore alla Yokohama National University's Graduate School of Engineering Science. "Normalmente i fononi del punto K non potevano modulare le proprietà ottiche a causa della grande discrepanza tra il vettore d'onda, la direzione e la grandezza, della luce incidente e quella dei fononi."
Takeda ha affermato che, nei TMD, tuttavia, l'elevata simmetria del reticolo cristallino bidimensionale consente ai fononi acustici del punto K di modulare la risposta ottica e di generare segnali a più frequenze.
"Questo lavoro dimostra l'importanza dell'approccio combinato della spettroscopia ultraveloce con l'analisi della simmetria e i calcoli dei primi principi per svelare la fisica alla base del processo di scattering intervalley nei materiali valleytronic", ha affermato Ikufumi Katayama, co-autore corrispondente alla Graduate School of Yokohama National University. Scienza dell'ingegneria.
"In seguito, vorremmo estendere questi approcci ad altri sistemi di materiali bidimensionali esotici per future applicazioni elettroniche e valtroniche e stabilire modi per manipolare le proprietà ottiche e fisiche su scale temporali ultraveloci". + Esplora ulteriormente
