Birinci sınıfta, Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (OIST) Femtosaniye Spektroskopi Birimi’nden araştırmacılar, hem klasik hem de kuantum bilgi teknolojilerindeki yeni atılımların temelini atarak atomik olarak ince malzemelerde zor olan karanlık eksitonların evrimini doğrudan gözlemlediler.
Bulguları şurada yayınlandı Doğa İletişimi.
Ünite başkanı Profesör Keshav Dani, “Karanlık eksitonların bilgi taşıyıcıları olarak büyük bir potansiyele sahipler, çünkü doğal olarak ışıkla etkileşime girme olasılıkları daha düşüktür ve bu nedenle kuantum özelliklerinin bozulmasına daha az eğilimlidir. Bununla birlikte, bu görünmezlik onları incelemek ve manipüle etmek için çok zorlayıcı hale getirir.
“2020’de OIST’de önceki bir atılım üzerine inşa ederek, karanlık eksitonların yaratılışına, gözlemine ve manipülasyonuna bir yol açtık.”
“Elektroniklerin genel alanında, elektron yükünü işlemek için manipüle eder,” diye açıklıyor ilk yazar ve Ph.D. ünitedeki öğrenci.
“Spintronics alanında, bilgi taşımak için elektronların dönüşünden yararlanıyoruz. Valleytroniklerde, benzersiz malzemelerin kristal yapısı, bilgileri vadiler olarak bilinen elektronların farklı momentum durumlarına dönüştürmemizi sağlar.”
Bilgi taşımak için karanlık eksitonların vadi boyutunu kullanma yeteneği, onları kuantum teknolojileri için umut verici adaylar olarak konumlandırır. Karanlık eksitonlar, termal arka plan gibi çevresel faktörlere, mevcut kubit üretiminden daha dirençlidir, potansiyel olarak daha az aşırı soğutma gerektirir ve benzersiz kuantum durumunun bozulduğu dekoheransa daha az eğilimlidir.
Parlak ve karanlık eksitonlarla enerji manzaralarını tanımlamak
Son on yılda, TMD’ler (geçiş metali dikalkogenidler) olarak bilinen atomik olarak ince yarı iletken malzemeler sınıfının geliştirilmesinde ilerleme kaydedilmiştir.
Tüm yarı iletkenlerde olduğu gibi, TMD’lerdeki atomlar, elektronları değerlik bandı gibi belirli bir enerji seviyesine (veya bandı) sınırlayan bir kristal kafeste hizalanır. Işığa maruz kaldığında, negatif yüklü elektronlar, değerlik bandındaki olumlu yüklü bir deliğin arkasına düşen daha yüksek bir enerji durumuna – iletim bandı – heyecanlanır.
Elektronlar ve delikler, eksiton adı verilen hidrojen benzeri quasipartiküller oluşturarak elektrostatik cazibe ile birbirine bağlanır. Elektron ve delik eşleşmesinin belirli kuantum özellikleri ise, yani aynı spin konfigürasyonuna sahiptirler ve momentum boşluğunda (elektronların ve deliklerin atomik kristal yapısında işgal edebileceği enerji miniması) aynı “vadiyi” yaşarlar, ikisi bir pikosanda rekombin eder ve işlemde ışık yayar. Bunlar “parlak” eksitonlar.
Bununla birlikte, elektron ve deliğin kuantum özellikleri eşleşmezse, elektron ve deliğin kendi başlarına yeniden birleşmesi ve ışık yaymaması yasaktır. Bunlar “karanlık” eksitonlar olarak nitelendirilir.
Elektron ve deliğin özelliklerinin çatışmada olduğu yere bağlı olarak, şu anda üniversite kolejinde Londra’da olan ilk yazar Dr. David Bacon, “Momentum-Dark ve Spin-Dark,” Dr. David Bacon, “Momentum-Dark ve Spin-Dark’ın açıklanması, acil rekombinasyonu önlemekle kalmayıp, aynı zamanda daha da yararlı bir zamansal olarak var olmasını sağlamakla kalmaz, aynı zamanda daha da yararlı bir şekilde, daha da fazla, daha da güçlenmesine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda daha da artmakla kalmaz ( etkileşimler. “
“TMD’lerin benzersiz atomik simetrisi, dairesel bir polarizasyona sahip bir ışık durumuna maruz kaldığında, sadece belirli bir vadide parlak eksitonlar yaratabilir. Bu, valleytroniklerin temel prensibidir,” diye açıklıyor Dr. Vivek Pareek, yazar ve OISTIAL ENSTİTİSİ ve OIStoral mezunu olan Dr. Vivek Pareek.
“Bununla birlikte, parlak eksitonlar hızla vadi bilgilerini potansiyel olarak koruyabilecek çok sayıda karanlık eksitona dönüşüyor. Hangi karanlık eksiton türlerinin dahil olduğu ve vadi bilgilerini ne ölçüde sürdürebilecekleri belirsizdir, ancak bu, vadi uygulamalarının peşinde.”
Femtosaniye ölçeğinde elektronları gözlemleme
OIST’de, tescilli, masa üstü XUV (aşırı ultraviyole) kaynağı içeren OIST’de dünya lideri TR-Arpes (zaman ve açı çözülmüş foto-emisyon spektroskopisi) kurulumu kullanan ekip, bir TMD Semiconctor’da belirli bir vadide belirli bir vadide parlak eksitonların oluşturulmasından sonra tüm eksitonların özelliklerini izlemeyi başardı. Delikler – bu özellikler daha önce hiç aynı anda nicelleştirilmemiştir.
Bulguları, bir pikosaniye içinde, bazı parlak eksitonların fononlar (nicelenmiş kristal kafes titreşimleri) tarafından farklı momentum vadilerine dağıldığını ve onları momentum-karanlık haline getirdiğini göstermektedir. Daha sonra, elektronların aynı vadide spin çevirdiği ve nanosaniye ölçeklerinde devam ettiği spin-dark eksitonları baskındır.
Bununla birlikte, ekip karanlık eksitonların nasıl erişileceği ve izleneceğine dair temel zorluğun üstesinden geldi ve Dark Valleytronics’in temelini bir alan olarak bıraktı.
Dr. Julien Madéo, “OIST’deki sofistike TR-Arpes kurulumu sayesinde, karanlık eksitonların uzun ömürlü vadi bilgilerini nasıl ve nasıl tuttuğunu doğrudan eriştik ve haritaladık. Karanlık Exitons Valley özelliklerini okumak için gelecekteki gelişmeler, bilgi sistemlerinde geniş karanlık valleytronic uygulamalarının kilidini açacak.”
