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(Noticias de Nanowerk) Los materiales bidimensionales de van der Waals han sido objeto de numerosos grupos de investigación durante algún tiempo. Estas estructuras tienen solo unas pocas capas atómicas de espesor y se fabrican en el laboratorio combinando capas atómicas de diferentes materiales (en un proceso conocido como «Lego atómico»).
Las interacciones entre las capas apiladas permiten que las heteroestructuras muestren propiedades de las que carecen los componentes individuales.
Formación de diferentes pares electrón-hueco
El disulfuro de molibdeno de dos capas es uno de esos materiales de van der Waals en el que los electrones pueden excitarse con una configuración experimental adecuada. Estas partículas cargadas negativamente abandonan su posición en la banda de valencia, dejando un hueco cargado positivamente y entran en la banda de conducción. Debido a las diferentes cargas de los electrones y los huecos, ambos se atraen y forman una cuasipartícula. Este último también se conoce como par electrón-hueco o excitón y puede moverse libremente dentro del material.
En el bisulfuro de molibdeno de dos capas, la excitación con luz produce dos tipos diferentes de pares electrón-hueco: pares intracapa, en los que el electrón y el hueco se encuentran en la misma capa del material, y pares entre capas, en los que el hueco y el electrón se encuentran en la misma capa. diferentes capas y, por lo tanto, están separados espacialmente unos de otros.
Estos dos tipos de pares electrón-hueco tienen propiedades diferentes: los pares intracapa interactúan fuertemente con la luz, en otras palabras, brillan mucho. Por otro lado, los excitones entre capas son mucho más tenues pero pueden cambiar a diferentes energías y, por lo tanto, permiten a los investigadores tuvo que ajustar la longitud de onda absorbida.
A diferencia de los excitones intracapa, los excitones intercapa también exhiben interacciones no lineales muy fuertes entre ellos, y estas interacciones juegan un papel esencial en muchas de sus aplicaciones potenciales.
fusión de propiedades
Los investigadores del grupo dirigido por el profesor Richard Warburton del Departamento de Física y el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) de la Universidad de Basilea ahora han acoplado estos dos tipos de pares de agujeros de electrones llevándolos a energías similares. Esta convergencia solo es posible gracias a la capacidad de ajuste de los excitones entre capas, y el acoplamiento resultante hace que se fusionen las propiedades de los dos tipos de pares electrón-hueco.
Por lo tanto, los investigadores pueden adaptar partículas fusionadas que no solo son muy brillantes, sino que también interactúan muy fuertemente entre sí.
«Esto nos permite combinar las propiedades útiles de ambos tipos de pares electrón-hueco», explica Lukas Sponfeldner, estudiante de doctorado en la Escuela de Doctorado SNI y primer autor del trabajo (Cartas de verificación física“Excitones acoplados capacitivamente e inductivamente en MoS de doble capa2«). «Estas propiedades combinadas podrían usarse para generar una nueva fuente de fotones individuales, que son un elemento clave de la comunicación cuántica».
Compatible con modelos clásicos.
En el trabajo, los investigadores también muestran que este complejo sistema de pares electrón-hueco se puede simular utilizando modelos mecánicos o electrónicos clásicos. En particular, los pares electrón-hueco pueden describirse muy bien como masas o círculos oscilantes.
«Estas analogías simples y generales nos ayudan a comprender mejor las propiedades fundamentales de las partículas acopladas, no solo en el disulfuro de molibdeno sino también en muchos otros sistemas y contextos materiales», explica el profesor Richard Warburton.
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