Cuando los semiconductores se pegan, los materiales se vuelven cuánticos.

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El estudio que describe el método, que apila capas 2D de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno para crear un material intrincadamente modelado, o superlattice, se publicó en línea recientemente en la revista Nature .

Laboratorio de Berkeley y profesor de física en la Universidad de California en Berkeley. “Ahora este trabajo ha traído estos semiconductores aparentemente ordinarios al espacio de materiales cuánticos”.

Los materiales bidimensionales (2D), que solo tienen un átomo de espesor, son como bloques de construcción de tamaño nanométrico que pueden apilarse arbitrariamente para formar pequeños dispositivos. Cuando las celosías de dos materiales 2D son similares y están bien alineadas, se puede formar un patrón de repetición llamado superlattic moiré.

Durante la última década, los investigadores han estado estudiando formas de combinar diferentes materiales 2D, a menudo empezando con grafeno, un material conocido por su capacidad para conducir de manera eficiente el calor y la electricidad.

El nuevo estudio, dirigido por Wang, utilizó muestras 2D de materiales semiconductores (disulfuro de tungsteno y diselenida de tungsteno) para mostrar que el ángulo de torsión entre capas proporciona un “botón de sintonía” para convertir un sistema semiconductor 2D en un material cuántico exótico con gran Los electrones que interactúan.

Entrando en un nuevo reino de la física.

Los coautores principales, Chenhao Jin, académico postdoctoral, y Emma Regan, una investigadora estudiante graduada, quienes trabajan bajo Wang en el Ultrafast Nano-Optics Group en UC Berkeley, fabricaron muestras de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno utilizando un polímero técnica para recoger y transferir copos de los materiales, cada uno de los cuales mide solo decenas de micras de diámetro, en una pila.

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Habían fabricado muestras similares de los materiales para un estudio anterior, pero con las dos capas apiladas sin ningún ángulo en particular. Cuando midieron la absorción óptica de una nueva muestra de disulfuro de tungsteno y diselenida de tungsteno para el estudio actual, se tomaron completamente por sorpresa.

La absorción de luz visible en un dispositivo de disulfuro de tungsteno / diseleniuro de tungsteno es mayor cuando la luz tiene la misma energía que el excitón del sistema, una cuasipartícula que consiste en un electrón unido a un agujero que es común en los semiconductores 2D. (En física, un agujero es un estado actualmente vacío que un electrón podría ocupar).

Para la luz en el rango de energía que los investigadores estaban considerando, esperaban ver un pico en la señal que correspondía a la energía de un excitón.

En su lugar, encontraron que el pico original que esperaban ver se había dividido en tres picos diferentes que representan tres estados distintos de excitón.

¿Qué podría haber aumentado el número de estados de excitón en el dispositivo de disulfuro de tungsteno / tungsteno de uno a tres? ¿Fue la adición de una superlatticia de muaré?

Para averiguarlo, sus colaboradores Aiming Yan y Alex Zettl utilizaron un microscopio electrónico de transmisión (TEM) en Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación de investigación científica a nanoescala, para tomar imágenes de resolución atómica del disulfuro de tungsteno / dispositivo de diseleniuro de tungsteno para verificar cómo los materiales ‘celosías se alinearon.

Las imágenes de TEM confirmaron lo que habían sospechado todo el tiempo: los materiales habían formado una superlatticia de muaré. “Vimos patrones hermosos y repetitivos en toda la muestra”, dijo Regan. “Después de comparar esta observación experimental con un modelo teórico, encontramos que el patrón de muaré introduce una gran energía potencial periódicamente sobre el dispositivo y, por lo tanto, podría introducir fenómenos cuánticos exóticos”.

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