محققان ICFO روش جدیدی برای کنترل دره‌های الکترونی در مواد حجیم کشف کرده‌اند که به طور بالقوه انقلابی در نحوه رمزگذاری و دستکاری اطلاعات در فناوری‌های محاسباتی و کوانتومی ایجاد می‌کند. تصویر هنرمند از سقوط سه‌فویل روی MoS2 فله‌ای.
الکترون‌های موجود در مواد جامد محدود به سطوح انرژی خاصی هستند که به عنوان نوارها شناخته می‌شوند. فضای بین این باندها، انرژی های ممنوعه، به «شکاف باند» معروف هستند. هر دو با هم “ساختار نواری” ماده را تشکیل می دهند که ویژگی منحصر به فرد هر ماده خاصی است.
وقتی فیزیکدانان ساختار نواری را ترسیم می کنند، معمولاً می بینند که منحنی های حاصل شبیه کوه ها و دره ها هستند. در واقع اصطلاح فنی برای حداکثر یا حداقل انرژی محلی در نوارها “دره” نامیده می شود و میدانی که نحوه حرکت الکترون های یک ماده از یک دره به دره دیگر را مطالعه و بهره برداری می کند “valleytronics” نامیده می شود.
در الکترونیک نیمه هادی استاندارد، بار الکتریکی الکترون ها پرکاربردترین خاصیت مورد استفاده برای رمزگذاری و دستکاری اطلاعات است. اما این ذرات دارای خواص دیگری نیز هستند که می توان از آنها برای همین منظور استفاده کرد، مانند دره ای که در آن قرار دارند. در طول دهه گذشته، هدف اصلی valleytronics دستیابی به کنترل بر جمعیت دره (همچنین به عنوان قطبش دره شناخته می شود) در مواد بوده است. چنین دستاوردی می تواند برای ایجاد گیت ها و بیت های کلاسیک و کوانتومی استفاده شود، چیزی که واقعاً می تواند توسعه محاسبات و پردازش اطلاعات کوانتومی را پیش ببرد.
تلاش های قبلی چندین اشکال داشت. به عنوان مثال، نور مورد استفاده برای دستکاری و تغییر قطبش دره باید تشدید کننده باشد، یعنی انرژی فوتون های آن (ذراتی که نور را تشکیل می دهند) باید دقیقاً با انرژی شکاف نواری آن ماده خاص مطابقت داشته باشد. . هر گونه انحراف کوچک کارایی روش را کاهش می دهد، بنابراین با توجه به اینکه هر ماده دارای شکاف نواری خاص خود است، تعمیم مکانیسم پیشنهادی تا حدودی دست نیافتنی به نظر می رسید. علاوه بر این، این فرآیند فقط برای ساختارهای تک لایه (مواد دو بعدی، تنها یک) به دست آمده است اتم-چربی). این نیاز مانع از کاربرد عملی آن می شود، زیرا تک لایه ها معمولاً از نظر اندازه، کیفیت محدود هستند و طراحی آنها دشوار است.
شماتیک اثر پلاریزاسیون دره که در آن میدان سه‌فویل فرود (به رنگ ارغوانی) باعث قطبش دره در مواد عمده MoS2 می‌شود. این اثر را می توان با چرخاندن جعبه نسبت به مواد کنترل کرد. اعتبار: ICFO
اکنون محققان ICFO، ایگور تیولنف، یولیتا پوبورسکا و دکتر لنارد واموس، به رهبری پروفسور ینس بیگرت ICREA، با همکاری محققان مؤسسه Max-Born، مؤسسه ماکس پلانک برای علم نور و Instituto Ciencia de Materiales de مادرید یک روش جهانی جدید برای القای پلاریزاسیون دره در مواد توده مرکزی متقارن کشف کرد. این کشف، منتشر شده در طبیعت، توانایی کنترل و دستکاری جمعیت دره را بدون محدود شدن توسط مواد خاص انتخاب شده باز می کند. در عین حال، از این روش می توان برای به دست آوردن مشخصات دقیق تری از کریستال ها و مواد دو بعدی استفاده کرد.
پلاریزاسیون دره در مواد حجیم امکان پذیر است
ماجراجویی با گروه آزمایشی به رهبری پروفسور ICREA در ICFO ینس بیگرت آغاز شد، که در ابتدا می خواستند قطبش دره را با استفاده از روش خاص خود در مواد دوبعدی به طور آزمایشی تولید کنند، به دنبال خطوطی از آنچه در مقاله نظری قبلی توسط آلوارو جیمنز به صورت نظری اثبات شده بود. روی سیلوا و میشا ایوانف. برای راه‌اندازی آزمایش، اندازه‌گیری اولیه روی MoS حجیم انجام شد2 (یک ماده انبوه از تک لایه های زیادی ساخته شده است که روی هم چیده شده اند) با نتیجه شگفت انگیز که آنها امضای قطبش دره را دیدند. یولیتا پوبورسکا توضیح می‌دهد: «زمانی که کار روی این پروژه را شروع کردیم، همکاران تئوری ما به ما گفتند که نشان دادن قطبش دره در مواد فله کاملاً غیرممکن است.
تیم نظری همچنین اشاره می کند که چگونه در ابتدا مدل آنها فقط برای لایه های تک دوبعدی مناسب بود. “در نگاه اول به نظر می رسید که افزودن لایه های بیشتر از انتخاب دره های خاص در نمونه جلوگیری می کند. اما پس از اولین نتایج تجربی، شبیه‌سازی را روی مواد حجیم تنظیم کردیم و مشاهدات را به‌طور شگفت‌آوری تأیید کرد. ما حتی سعی نکردیم چیزی را جا بدهیم. اینطور شد”، رئیس نظریه پردازان پروفسور میشا ایوانوف می افزاید. پوبورسکا نتیجه می گیرد که در نهایت، “معلوم شد که بله، شما می توانید مواد توده ای را که به طور مرکزی متقارن هستند، به دلیل شرایط تقارن قطبی کنید.”
محققان در ICFO از چپ به راست: دکتر لنارد واموس، یولیتا پوبورسکا، ایگور تیولنف و پروفسور ICREA ینس بیگرت. اعتبار: ICFO
همانطور که ایگور تیولنف، نویسنده اول مقاله، توضیح می دهد: «آزمایش ما شامل ایجاد یک پالس نور شدید با قطبش بود که با این ساختار داخلی مطابقت داشت. نتیجه به اصطلاح “میدان سه ضلعی” بود که تقارن آن با زیرشبکه های مثلثی که نشان دهنده مواد شش ضلعی هترواتمی است مطابقت دارد.
این میدان تطابق تقارن قوی، تقارن فضا-زمان را در ماده می‌شکند و مهمتر از آن، پیکربندی حاصل به جهت‌گیری میدان سه‌فویل نسبت به ماده بستگی دارد. بنابراین، «با چرخش ساده میدان نور فرودی، ما توانستیم قطبش دره را تعدیل کنیم،» نتیجه گیری Tyulnev، که یک دستاورد بزرگ در این زمینه و تأیید یک تکنیک جهانی جدید است که می تواند دره های الکترونی را در مواد حجیم کنترل و دستکاری کند.
فرآیند آزمایشی
این آزمایش را می‌توان در سه مرحله اصلی توضیح داد: اول، سنتز میدان سه‌فولی. سپس ویژگی آن؛ و در نهایت، تولید واقعی قطبش دره.
محققان بر دقت فوق‌العاده بالایی که فرآیند تعیین خصوصیات نیاز دارد، تاکید می‌کنند، زیرا میدان سه‌فویل نه تنها از یک، بلکه از دو میدان نوری ترکیبی منسجم ساخته شده است. یکی از آنها باید به صورت دایره ای در یک جهت پلاریزه می شد و دیگری هارمونیک دوم پرتو اول که در جهت مخالف قطبیده می شد. آنها این میدان ها را روی هم قرار می دهند به طوری که پلاریزاسیون کل در زمان شکل سه فویل مورد نظر را دنبال می کند.
سه سال پس از اولین تلاش‌های آزمایشی، ایگور تیولنف از آخرین‌ها هیجان‌زده می‌شود طبیعت انتشار. ظاهر در چنین مجله معتبری روش جهانی جدید را به رسمیت می شناسد، که به گفته او، “می توان از آن نه تنها برای کنترل خواص طیف گسترده ای از مواد شیمیایی استفاده کرد. انواعبلکه برای توصیف کریستال ها و مواد دوبعدی.
همانطور که پروفسور ینس بیگرت ICREA از ICFO خاطرنشان می کند: “روش ما می تواند یک عنصر مهم برای طراحی مواد کم مصرف برای ذخیره سازی اطلاعات کارآمد و سوئیچینگ سریع فراهم کند. این نیاز فوری به دستگاه هایی با مصرف انرژی کم و افزایش سرعت محاسبات را برآورده می کند. نمی‌توانم قول بدهم که آنچه ارائه کرده‌ایم راه‌حل است، اما احتمالاً یکی از راه‌حل‌های این چالش بزرگ است.»
مرجع: “Valleytronics in bulk MoS2 with a topologic optical field” اثر ایگور تیولنف، آلوارو خیمنز-گالان، هولیتا پوبورسکا، لئونارد واموس، فیلیپ سنت جی. راسل، فرانچسکو تانی، اولگا اسمیرنوا، میشا ایوانف، روی ای اف سیلوا، و ینس بیگرت، 24 آوریل 2024، طبیعت.
DOI: 10.1038/s41586-024-07156-y