Wissenschaftler entdecken chirale Phononen in einem 2D-Halbleiterkristall

Forscher ENTDECKEN Etwas UNGLAUBLICHES Bei BÄUMEN Und PFLANZEN (Juni 2019).

Anonim

Ein Forscherteam vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Department of Energy hat den ersten Beweis dafür gefunden, dass eine Schüttelbewegung in der Struktur eines atomar dünnen (2-D) Materials eine natürlich vorkommende zirkuläre Rotation besitzt.

Diese Rotation könnte der Grundstein für eine neue Form der Informationstechnologie und für die Konstruktion molekularer Rotoren zum Antrieb mikroskopischer Motoren und Maschinen gelegt werden.

Das Monoschichtmaterial Wolfram-Diselenid (WSe 2) ist bereits bekannt für seine außergewöhnliche Fähigkeit, spezielle elektronische Eigenschaften zu erhalten, die in anderen Materialien weitaus flüchtiger sind.

Es wird als ein vielversprechender Kandidat für eine gefragte Form der Datenspeicherung angesehen, die beispielsweise als Valleytronics bekannt ist, bei der der Impuls und die wellenartige Bewegung von Elektronen in einem Material mit der elektronischen Struktur eines Materials in entgegengesetzte "Täler" sortiert werden können dieser Täler repräsentieren die Einsen und Nullen in herkömmlichen binären Daten.

Moderne Elektronik beruht typischerweise auf Manipulationen der Ladung von Elektronen, um Information zu tragen und zu speichern, obwohl Elektronik zunehmend miniaturisiert wird, unterliegen sie eher Problemen, die mit Wärmeaufbau und elektrischen Lecks verbunden sind.

Die neueste Studie, die diese Woche in der Fachzeitschrift Science online veröffentlicht wurde, bietet einen möglichen Weg zur Überwindung dieser Probleme. Es berichtet, dass einige der Phononen des Materials, ein Begriff, der kollektive Schwingungen in Atomkristallen beschreibt, sich natürlicherweise in eine bestimmte Richtung drehen.

Diese Eigenschaft wird als Chiralität bezeichnet - ähnlich der Händigkeit einer Person, bei der die linke und die rechte Hand ein Spiegelbild voneinander, aber nicht identisch sind. Das Steuern der Richtung dieser Drehung würde einen stabilen Mechanismus zum Transportieren und Speichern von Information bereitstellen.

"Phononen in Festkörpern werden gewöhnlich als kollektive lineare Bewegung von Atomen betrachtet", sagte Xiang Zhang, der korrespondierende Autor der Studie und leitender Wissenschaftler der Materialwissenschaftlichen Abteilung am Lawrence Berkeley National Laboratory und Professor an der UC Berkeley. "Unser Experiment entdeckte eine neue Art von sogenannten chiralen Phononen, bei der sich Atome in einem atomaren Monoschichtkristall aus Wolframdiselenid in Kreisen bewegen."

Hanyu Zhu, der Hauptautor der Studie und ein Postdoktorand in Zhangs Gruppe, sagte: "Einer der größten Vorteile von chiralem Phonon ist, dass die Rotation mit dem Impuls des Teilchens gekoppelt ist und nicht leicht gestört wird."

In dem untersuchten Phononenmodus scheinen sich die Selenatome kollektiv im Uhrzeigersinn zu drehen, während die Wolframatome keine Bewegung zeigten. Die Forscher bereiteten ein "Sandwich" mit vier Lagen zentimetergroßer Monoschicht-WSe2-Proben vor, die zwischen dünnen Saphirkristallen angeordnet waren. Sie synchronisierten Ultrakurzpulslaser, um die zeitabhängigen Bewegungen aufzuzeichnen.

Die beiden Laserquellen konvergierten an einer Stelle auf den Proben mit einem Durchmesser von nur 70 Millionstel Metern. Einer der Laser wurde genau zwischen zwei verschiedenen Abstimmmodi umgeschaltet, um den Unterschied der linken und rechten chiralen Phononenaktivität zu messen.

Ein sogenannter Pumplaser erzeugte sichtbare Rotlichtpulse, die die Proben anregten, und ein Sondenlaser erzeugte Pulse im mittleren Infrarotbereich, die dem ersten Pumpimpuls innerhalb einer Billionstelsekunde folgten. Etwa ein Mittelinfrarot-Photon wird alle 100 Millionen von WSe2 absorbiert und in ein chirales Phonon umgewandelt.

Die Forscher erfassten dann die hochenergetische Lumineszenz der Probe, eine Signatur dieses seltenen Absorptionsereignisses. Durch diese als transiente Infrarotspektroskopie bekannte Technik bestätigten die Forscher nicht nur die Existenz eines chiralen Phonons, sondern auch seine Rotationsfrequenz.

Bis jetzt produziert das Verfahren nur eine kleine Anzahl von chiralen Phononen. Ein nächster Schritt in der Forschung wird darin bestehen, eine größere Anzahl von rotierenden Phononen zu erzeugen und zu erfahren, ob heftige Agitationen im Kristall dazu verwendet werden können, den Spin von Elektronen umzukehren oder die Taleigenschaften des Materials signifikant zu verändern. Spin ist eine inhärente Eigenschaft eines Elektrons, das man sich als seine Kompassnadel vorstellen kann - wenn es nach Norden oder Süden gedreht werden könnte, könnte es verwendet werden, um Informationen in einer neuen Form der Elektronik, der Spintronik, zu übertragen.

"Die potenzielle phononenbasierte Steuerung von Elektronen und Spins für Geräteanwendungen ist sehr aufregend und in Reichweite", sagte Zhu. "Wir haben bereits nachgewiesen, dass Phononen in der Lage sind, das elektronische Tal zu schalten. Außerdem ermöglicht diese Arbeit die Möglichkeit, die rotierenden Atome als kleine Magnete zu verwenden, um die Spinorientierung zu steuern."

Die chiralen Eigenschaften, die in der Studie gefunden wurden, existieren wahrscheinlich in einer breiten Palette von 2-D-Materialien basierend auf einer ähnlichen Struktur in ihrer atomaren Struktur, fügte Zhu hinzu und fügte hinzu, dass die Studie theoretische Untersuchungen der Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und des Designs von Materialien leiten könnte Phonon-basierte Effekte zu verbessern.

"Das gleiche Prinzip funktioniert in allen zweidimensionalen periodischen Strukturen mit dreifacher Symmetrie und Inversionsasymmetrie", sagte Zhu. "Das gleiche Prinzip deckt eine riesige Familie natürlicher Materialien ab, und es gibt nahezu unendliche Möglichkeiten, Rotoren auf molekularer Ebene zu erzeugen."

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