Tweelaags molybdeendisulfide is een van der Waals materiaal, waar elektronen kunnen worden geëxciteerd met behulp van een geschikte experimentele opstelling. Deze elektronen verlaten later hun positie in de valentieband en laten een positief geladen gat achter en gaan de geleidingsband binnen.
Omdat elektronen en gaten verschillende ladingen hebben, worden ze tot elkaar aangetrokken en combineren ze om een te vormen quasideeltjes. Deze laatste kan vrij in het materiaal bewegen en wordt ook wel een elektron-gatpaar of exciton genoemd.
Excitatie met licht resulteert in twee verschillende soorten elektron-gatparen in tweelaags molybdeendisulfide: intralaagparen, waarbij het elektron en het gat zich in dezelfde laag van het materiaal bevinden, en tussenlaagparen, waarbij het elektron en het gat zich in verschillende lagen en liggen dus ruimtelijk uit elkaar.
Deze twee varianten van elektron-gat-paren vertonen verschillende kenmerken. Licht- en tussenlaagparen werken agressief samen, waardoor ze intens gloeien. Aan de andere kant, tussenlaag excitonen zijn aanzienlijk zwakker, maar kunnen naar verschillende energieën worden verplaatst, waardoor wetenschappers de geabsorbeerde golflengte kunnen aanpassen. Interlaag-excitons, zoals intra-layer-excitonen, hebben extreem krachtige, niet-lineaire interacties met elkaar. Deze interacties zijn cruciaal voor veel van de toepassingen die tussenlaagse excitonen zouden kunnen dienen.
Nu, de onderzoekers van de groep onder leiding van professor Richard Warburton van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI) van de Universiteit van Basel hebben deze twee soorten elektron-gat-paren gekoppeld door ze op vergelijkbare energieën te brengen.
Dit was mogelijk door het aanpassen van tussenlaagse excitonen. De resulterende koppeling zorgt ervoor dat de eigenschappen van de twee soorten elektron-gatparen samensmelten, waardoor wetenschappers samengevoegde deeltjes op maat kunnen maken die niet alleen erg helder zijn, maar ook zeer sterk op elkaar inwerken.
Lukas Sponfeldner, een doctoraalstudent aan de SNI Ph.D. School en de eerste auteur van het papier vertelde Phys.org, “Hierdoor kunnen we de nuttige eigenschappen van beide typen elektron-gatparen combineren. Deze samengevoegde eigenschappen zouden kunnen worden gebruikt om een nieuwe bron van individuele fotonen te produceren, die een sleutelelement zijn van kwantumcommunicatie. '
Wetenschappers hebben ook aangetoond dat dit complexe systeem van elektron-gat-paren kan worden gesimuleerd met behulp van klassieke modellen uit de mechanica of elektronica.
Professor Richard Warburton zei: “In het bijzonder kunnen elektron-gatparen heel goed worden omschreven als oscillerende massa’s of circuits. Deze eenvoudige en algemene analogieën helpen ons de fundamentele eigenschappen van gekoppelde deeltjes beter te begrijpen, niet alleen in molybdeendisulfide maar ook in veel andere materiële systemen en contexten."
Journal Reference:
- Lukas Sponfeldner et al., capacitief en inductief gekoppelde excitonen in dubbellaagse MoS2, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.107401
