20 ژوئن 2023 – توسط وزارت انرژی آمریکا
پالس‌های نور فوق سریع سمت چپ، نمونه کوچکی از WS2 را با ضخامت یک لایه اتم، تحریک و کاوش می‌کنند و الکترون‌هایی ساطع می‌کنند که توسط آشکارساز جدیدی به نام میکروسکوپ تکانه جمع‌آوری می‌شوند. توزیع کامل 3 بعدی انرژی- تکانه الکترون های ساطع شده. اعتبار: دانشگاه استونی بروک
هنگامی که برخی از نیمه هادی ها نور را جذب می کنند، اکسیتون ها (یا جفت ذرات ساخته شده از یک الکترون متصل به حفره الکترونی) می توانند تشکیل شوند. بلورهای دو بعدی دی سولفید تنگستن (WS2) حالت های اکسایتون منحصر به فردی دارند که در مواد دیگر یافت نمی شوند. با این حال، این حالت ها کوتاه مدت هستند و می توانند خیلی سریع از یکی به دیگری تغییر کنند.
دانشمندان رویکرد جدیدی برای ایجاد تصاویر جداگانه از این حالت های کوانتومی ابداع کرده اند. با ردیابی تک تک حالت‌های کوانتومی، محققان نشان دادند که مکانیسم‌های جفتی که منجر به اختلاط حالت‌ها می‌شود ممکن است به طور کامل با نظریه‌های فعلی مطابقت نداشته باشد.
دانشمندان درباره دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه، خانواده بلورهایی که شامل دی سولفید تنگستن است، هیجان‌زده هستند، زیرا آنها با وجود ضخامت چند اتم، نور را به شدت جذب می‌کنند. محققان می توانند از این کریستال ها برای ساخت سلول های خورشیدی جدید در مقیاس نانو یا حسگرهای الکترونیکی استفاده کنند. با استفاده از تکنیک جدیدی به نام میکروسکوپ تکانه با تفکیک زمانی، محققان اکنون می توانند انتقال بین حالت های کوانتومی اکسایتون مختلف را بهتر ردیابی کنند. این تکنیک به طور گسترده قابل استفاده است، بنابراین دانشمندان اکنون می توانند سایر مواد و دستگاه های نسل بعدی را زیر این میکروسکوپ حرکتی قرار دهند تا نحوه عملکرد آنها را ببینند.
انواع حالت‌های اکسایتون ناشی از نور می‌توانند در دی‌کالکوژنیدهای فلزی واسطه (TMD) مانند WS2 در شرایط مختلف تشکیل شوند. تغییر طول موج یا قدرت نور هیجان‌انگیز یا دمای کریستال به حالت‌های اکسایتون مختلف اجازه می‌دهد تا شکل بگیرند یا باقی بمانند. نوری که به صورت دایره ای قطبی شده است، جایی که جهت میدان الکتریکی حول جهت حرکت موج نور می چرخد، می تواند به طور انتخابی اکسیتون هایی با پیکربندی اسپین کوانتومی معین در مجموعه خاصی از باندهای انرژی ایجاد کند.
محققان دانشگاه استونی بروک ابزاری منحصربفرد ابداع کرده‌اند تا مستقیماً این اثر را تحت شرایط مختلف برانگیختگی نور فوق سریع تجسم کرده و مخلوط پیچیده حالت‌های کوانتومی را که می‌توانند تشکیل دهند، از هم جدا کنند.
این یافته‌های جدید که در Physical Review Letters منتشر شده است، نشان می‌دهد که چگونه نیرویی که الکترون و حفره الکترونی را در اکسایتون به هم متصل می‌کند، به جفت شدن یا اختلاط بسیار سریع حالات اکسایتون مختلف کمک می‌کند. محققان نشان دادند که این اثر منجر به اختلاط اکسیتون‌ها با پیکربندی‌های مختلف اسپین می‌شود و در عین حال انرژی و تکانه را در فرآیند جفت شدن حفظ می‌کند.
با کمال تعجب، نتایج نشان داد که سرعت اختلاط اکسایتون به انرژی های اکسایتون که محققان قبلا پیش بینی کرده بودند بستگی ندارد. این مطالعه پشتیبانی تجربی حیاتی را برای برخی از تئوری‌های فعلی جفت اکسایتون در TMD فراهم می‌کند، اما اختلافات مهم را نیز روشن می‌کند. درک تأثیر متقابل بین این حالات اکسایتون، گامی کلیدی به سمت استفاده از پتانسیل TMD ها برای فناوری نانو و سنجش کوانتومی است.
