Es gibt ein großes Problem mit der Quantentechnologie – es ist winzig. Die charakteristischen Eigenschaften, die auf der subatomaren Skala existieren, verschwinden normalerweise auf makroskopischen Skalen, was es schwierig macht, ihre überlegenen Erfassungs- und Kommunikationsfähigkeiten für reale Anwendungen wie optische Systeme und fortschrittliches Computing zu nutzen. Jetzt hat ein internationales Team jedoch von Physikern an der Penn State und der Columbia University einen neuen Ansatz entwickelt, um spezielle Quantenmerkmale aufrechtzuerhalten, selbst in dreidimensionalen (3D) -Materialien.
Die Forscher veröffentlichten heute ihre Ergebnisse (19. Februar) in Naturmaterialien.
„Obwohl die von zwei dimensionalen (2D) Materialien angezeigten Funktionen umfangreich sind und ihr Potenzial revolutionär ist und ihre überlegenen Eigenschaften über die 2D -Grenze hinaus bleibt Solche Materialien sind typischerweise Kristalle, die nur ein Atom dick sind und in einer Vielzahl von Moden angewendet werden können, einschließlich für flexible Elektronik-, Energiespeicher- und Quantentechnologien. „Realisierung, Verständnis und Kontrolle der nanoskaligen Einschränkung sind daher sowohl für die Erforschung der Quantenphysik als auch für die zukünftige Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung.“
Das Team untersuchte in einem Halbleitermaterial, die als Exzitonen bezeichnet werden und die einzigartige optische Eigenschaften haben und Energie ohne elektrische Ladung tragen können. Halbleiter – die allgegenwärtig über Computer, Telefone und andere Elektronik hinweg allgegenwärtig sind, leiten Elektrizität unter bestimmten Bedingungen und hemmen ihn unter anderen. Exzitonen werden erzeugt, wenn Licht auf einen Halbleiter trifft und ein Elektron mit Strom versorgt, um auf den nächsten Energieniveau zu springen. Das resultierende angeregte Elektron und das Loch, das es übrig ist, werden gemeinsam als Exziton bezeichnet. Exzitonen treten homogen über typische 3D -Halbleiter wie Silizium auf.
„Aber die Bindungsenergie für die Exzitonen in Schüttgutmaterialien wie Silizium ist normalerweise klein, was bedeutet, dass sie nicht sehr stabil ist und es nicht leicht zu beobachten ist“, sagte Shao und erklärte, dass Exzitonen am stabilsten sind und nur in 2D -Monoschichten überlegene Eigenschaften aufweisen.
Die herkömmliche Methode zur Herstellung von 2D -Materialien wurde 2004 entwickelt und führte zur Entdeckung von Graphen, der einzelnen Kohlenstoffschicht, die hoch leitend und stärker als Stahl ist. Der Prozess ist einfach, aber arbeitsintensiv, da jede Schicht durch Auftragen eines Stücks Klebeband aus einem Schüttungskristall gepeppt und abbackt.
In diesem dünnen 2D -Zustand können Exzitonen Energie ohne Ladung tragen und Licht ausgeben, wenn seine Elektronen und Lochrekombination laut Shao für fortschrittliche optische Anwendungen nützlich ist. Um diese Eigenschaften in Materialien zu bewahren, die für solche Anwendungen groß genug sind, müssten die Forscher jedoch eine große Anzahl von Schichten produzieren.
Um dies zu tun, ohne jede Schicht von Hand zu schälen und zu stapeln, wandten sich die Forscher einem anderen Aspekt der Physik zu: Magnetismus. Insbesondere konzentrierten sie sich auf Chromsulfidbromid (CRSBR), einen geschichteten magnetischen Halbleiter, den Co-Autor Xavier Roy, Professor für Chemie an der Columbia University, ausführlich und seit 2020 weiter untersucht hat.
Bei Raumtemperatur fungiert CRSBR als normaler Halbleiter wie Silizium. Das Abkühlen von CRSBR auf etwa -223 Grad Fahrenheit bringt es in einen Grundzustand oder den Zustand der niedrigsten Energie. Dies verwandelt es in ein antiferromagnetisches System, in dem die magnetischen Momente – normalerweise als „Spin“ bezeichnet – der Partikel des Systems in einem regelmäßigen, wiederholenden Muster ausgerichtet sind. Insbesondere für CRSBR stellt diese antiferromagnetische Ordnung sicher, dass jede Schicht ihre magnetische Ausrichtung abwechselt, wodurch ein magnetisches Moment storniert und das Material unempfindlich gegenüber externen magnetischen Kräften rendert. Infolgedessen neigen Exzitonen dazu, mit dem gleichen Dreh in der Schicht zu bleiben, anstatt sich mit den entgegengesetzten Spins in die benachbarten Schichten zu reifen. Wie Autos auf wechselnden Einwegstraßen halten diese etablierten Grenzen Exzitonen auf die Schicht beschränkt, mit der sie die gleichen Spin-Richtungen teilen.
„Dies ist ein wirksamer Ansatz, um eine einzige Schicht atomarer Materials zu erstellen, ohne es herauszufinden, während sie dennoch eine scharfe Schnittstelle bewahrt“, sagte Shao. „Dies bedeutet, dass wir das gleiche Verhalten beschränkter Exzitonen erreichen könnten, die in 2D -Materialien in einem Massenmaterial gezeigt werden.“
Unter Verwendung optischer Spektroskopie -Techniken, theoretischer Modellierung und Berechnung stellten die Forscher fest, dass diese magnetische Einschränkung fest hielt, unabhängig davon, wie viele Schichten im System waren und unabhängig von der Schicht, einschließlich der Oberflächenschichten.
„Wir haben viel gearbeitet, um zu überprüfen, ob dies tatsächlich gilt, und das tut es“, sagte Shao.
Shaos Teams Befund wurde von einer anderen Forschungsgruppe aus Deutschland – Florian Dirnberger und Alexey Chernikov von der Tud Dresden University of Technology -, die die gleiche Eigenart magnetischer Halbleiter untersuchten, bestätigt. Die beiden Gruppen beschlossen, Notizen zu vergleichen, sagte Shao und stellte fest, dass sie alle zu dem gleichen Schluss gekommen waren.
„Unsere Daten werden sehr gut angezeigt, was bemerkenswert ist, da wir in verschiedenen Labors zwei verschiedene Kristallmaterialien verwendet haben“, sagte Shao. „Unsere Ergebnisse stimmen miteinander überein und stimmen gut mit theoretischen Vorhersagen überein. Deshalb haben wir dieses gemeinsame Papier geschrieben.“
Das ausgerichtete Ergebnis kam aus der Nutzung der Verhaltensweisen von Magnetismus, Van der Waals -Wechselwirkungen und Exzitonen laut Shao, um eine Quantenbeschränkung mit potenziellen Anwendungen für die Weiterentwicklung optischer Systeme und Quantentechnologien zu erreichen.
„Die Ehe dieser verschiedenen Aspekte der Physik war ein entscheidender Aspekt dieser Entdeckung“, sagte Shao.
Shao hat seinen Doktortitel und ein Postdoktorandenstipendium an der Columbia University abgeschlossen. Weitere Mitwirkende sind Siyuan Qiu, Evan J. Telford, Brian Sy Kim, Francesco L. Ruta, Andrew J. Mills, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, Michael E. Ziebel, Yiping Wang, Jeongheon Choe, jüngste Jue Bae, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy und DN Basov, Universität Columbia; Florian Dirnberger, Sophia Terres und Alexey Chernikov, Tud Dresden University of Technology, Deutschland; Swagata Acharya und Rupert Huber, National Renewable Energy Laboratory, Vereinigte Staaten; Dimitar Pashov, King’s College London, Großbritannien; Mikhail I. Katsnelson, Radboud University, Niederlande; Kseniia Mosina und Mark Van Schilfgaarde, Universität für Chemie und Technologie Prag, Tschechische Republik; und Zdenek Sower, Universität Regensburg, Deutschland. Dirnberger ist auch der Technischen Universität München angeschlossen. Kim ist auch mit der University of Arizona verbunden. Mills ist auch mit dem Flatiron Institute verbunden. Eine vollständige Liste der Autoren und ihrer Zugehörigkeit kann in der Zeitung gefunden werden.
Das US-Energieministerium, der Europäische Forschungsrat, die US National Science Foundation, der Würzburg-Dresden-Cluster der Exzellenz in Bezug auf Komplexität und Topologie in Quantum Matter und das Emmy Noether-Programm unterstützten diese Arbeit.
