光物质相互作用的研究可以改善电子和光电器件

Rensselaer的化学和生物工程助理教授Sufei Shi在Nature Communications上发表的一篇论文,增加了我们对光与原子级薄半导体如何相互作用的理解,并创造出独特的激子复合粒子,多个电子和强烈结合在一起的空穴。这些粒子具有新的量子自由度,称为“谷旋转”。“谷旋转”类似于电子自旋,其已被广泛用于诸如硬盘驱动器的信息存储中,并且也是量子计算的有希望的候选者。

这篇题为“揭示BN封装的WSe2中的双激子和三价激子复合物”的论文发表在2018年9月13日的Nature Communications上。这项研究的结果可能导致电子和光电器件的新应用,如太阳能收集,新型激光和量子传感。

Shi的研究主要集中在低维量子材料及其量子效应,特别关注具有强光物质相互作用的材料。这些材料包括石墨烯,过渡金属二硫化物(TMD),例如二硒化钨(WSe2)和拓扑绝缘体。

TMD代表了一类具有优异光学和光电特性的原子级薄半导体。二维单层TMD上的光学激发将产生称为激子的强结合电子 - 空穴对,而不是像传统的体半导体那样自由地移动电子和空穴。这是由于单层TMD中的巨大结合能,这比传统半导体的数量级大。结果,激子可以在室温下存活,因此可以用于激子器件的应用。

随着激子密度的增加,更多的电子和空穴结合在一起,形成四粒子甚至五粒子的激子复合物。对多粒子激子复合物的理解不仅使人们对二维光物质相互作用有了基本的了解,而且还导致了新的应用,因为多粒子激子复合物保持了“谷旋转”特性。激子。然而,尽管最近对TMD中激子和π反应的理解有所发展,但施先生表示,对结合能量的能量的明确衡量仍然是难以捉摸的。

“现在,我们第一次发现了真正的biexciton状态,一种独特的四粒子复合物,对光有反应,”施说。“我们还揭示了带电biexciton的性质,这是一种五粒子复合物。”

在Rensselaer,Shi的团队已经开发出一种方法来构建一个非常干净的样品,以揭示这种独特的光物质相互作用。该器件是通过将多个原子级薄材料堆叠在一起而构建的,包括石墨烯,氮化硼(BN)和WSe2,通过范德华(vdW)相互作用,代表了二维材料的最先进制造技术。

这项工作是与佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室和日本国家材料科学研究所的研究人员以及物理系应用物理系Kodosky Constellation教授张百柏合作完成的。伦斯勒的天文学和天文学,他的工作在发展对biexcon的理论理解中发挥了关键作用。

Shi说,这项研究的结果可能会导致强大的多粒子光学物理学,并说明基于二维半导体的新型应用。施已获得空军科学研究办公室的资助。张得到了能源部科学办公室的支持。