Pomocí jednoho z nejpokročilejších spektroskopických systémů na světě vyvinuli vědci rámec pro vedení studií v kvantovém informačním technologiích nové generace.
Vědci v jednotce femtosekundové spektroskopické jednotky na Okinawa Institute of Science and Technology poprvé přímo sledovali, jak se tmavé excitony vyvíjejí v atomicky tenkých materiálech. Tento úspěch připravuje cestu pro pokroky v klasických i kvantových informačních technologiích. Studie byla zveřejněna v Přírodní komunikace.
Profesor Keshav Dani, který vede jednotku, zdůraznil důležitost práce: „Tmavé excitony mají velký potenciál jako nosiče informací, protože jsou ze své podstaty méně pravděpodobné, že budou interagovat se světlem, a proto méně náchylné k degradaci jejich kvantových vlastností. Budování na předchozím průlomu na Oist v roce 2020Otevřeli jsme cestu k vytvoření, pozorování a manipulaci s tmavými excitony. “
„V obecné oblasti elektroniky jeden manipuluje s elektronovým nábojem za zpracování informací,“ vysvětluje Xing Zhu, spolupravěcí autor a student PhD v jednotce. „V oblasti spintroniky využíváme rotaci elektronů k přenášení informací. Dále, v Valleytronics, křišťálová struktura jedinečných materiálů nám umožňuje zakódovat informace do výrazných stavů hybnosti elektronů, známých jako údolí.“
Schopnost používat údolí dimenze tmavých excitonů k přenášení informací je umístění jako slibné kandidáty na kvantové technologie. Tmavé excitony jsou od přírody odolnější vůči faktorům prostředí, jako je tepelné pozadí než současná generace qubitů, což potenciálně vyžaduje méně extrémní chlazení a činí je méně náchylné k dekohenci, kde se rozpadá jedinečný kvantový stav.
Definování krajiny energie s jasnými a tmavými excitony
V posledních deseti letech vědci učinili významné pokroky ve studiu atomicky tenké rodiny polovodiče nazývá se TMD (přechodný kov dichalcogenides). Stejně jako všechny polovodiče, TMD se skládají z atomů uspořádaných v krystalové mřížce, která omezuje elektrony na definované hladiny energie nebo pásma, jako je valenční pás. Když světlo zasáhne materiál, jsou elektrony zvednuty z valenčního pásma do vodivého pásma s vyšší energií a zanechávají pozitivně nabitá volná místa známá jako díry.
Vzájemná přitažlivost mezi negativně nabitými elektrony a pozitivně nabitými otvory je váže do vodíkových kvazistriálů zvaných excitony. Pokud elektrony a díra sdílí specifické kvantové vlastnosti, jako je mít stejnou konfiguraci roztočení a zabírat stejné „údolí“ v prostoru hybnosti (minima energie dostupná v krystalové mřížce), rekombinují se v bilionionu sekundy (1PS = 10 (1PS = 10−12 za druhé), uvolnění světla. Ty jsou známé jako „jasné“ excitony.
Pokud se však kvantové vlastnosti elektronu a otvoru neshodují, elektron a otvor jsou zakázáni rekombinatovat samy o sobě a nevyzařují světlo. Jsou charakterizovány jako „tmavé“ excitony. „Jsou dva“druh‚of Dark Excitony, „vysvětluje Dr. David Bacon, spolupravík, který je nyní na University College London,„ Dymtum-Dark a Spin-Dark, v závislosti na tom, kde jsou vlastnosti elektronu a díry v konfliktu. Neshoda vlastností nejen zabraňuje okamžité rekombinaci, což jim umožňuje existovat až několik nanosekund (1ns = 10−9 Za druhé – mnohem užitečnější časový rozsah), ale také dělá tmavé excitony více izolované z environmentálních interakcí. “
„Jedinečná atomová symetrie TMD znamená, že když je vystaven stavu světla s kruhovou polarizací, lze selektivně vytvářet jasné excitony pouze v konkrétním údolí. Toto je základní princip údolí. Klíčový krok ve snaze o aplikace Valleytronic, “vysvětluje Dr. Vivek Pareek, spolupravík a absolvent Oist, který je nyní prezidentským postdoktorandem v Kalifornském technologickém institutu.
Pozorování elektronů ve stupnici femtosekund
Díky nejmodernějšímu systému TR-ARPES (časově a úhel rozlišené fotoemisní spektroskopie) v Oist, vybaveném na zakázku vytvořeném stolním top-top XUV (extrémní ultrafialové), byli vědci monitorovat, jak se různé excitony vyvíjely po jasných excitonech vytvořených v určitém údolí TMD semikontoru. Dosáhli toho měřením hybnosti, roztočení a populace elektronů a děr současně kombinací vlastností, které nikdy předtím nebyly kvantifikovány společně.
Jejich zjištění ukazují, že v rámci pikosekundu jsou některé jasné excitony rozptýleny fonony (kvantizované vibrace krystalové mřížky) do různých údolí hybnosti, což je činí do tmavé hybnosti. Později dominují excitony spin-Dark, kde se elektrony otočily ve stejném údolí, přetrvávající na nanosekundových stupnicích.
S tím tým překonal základní výzvu, jak přistupovat a sledovat tmavé excitony, a položit základ pro Dark Valleytronics jako pole. Dr. Julien Madéo z jednotky shrnuje: „Díky sofistikovanému nastavení TR-ARPES v Oist jsme přímo přistupovali a mapovali, jak a jaké temné excitony udržují informace o dlouhodobém údolí. Budoucí vývoj si přečtěte vlastnosti Dark Excitons Valley Properties napříč informačními systémy.“
Reference: „Holistický pohled na dynamiku polarizovaných tmavých excitonických stavů s dlouhodobým údolím v monolayeru WS2“ od Xing Zhu, David R. Bacon, Vivek Pareek, Julien Madéo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael Kl Man a Keshav M. Dani, 10. července 2025, 10. července, 10. července 2025, Přírodní komunikace.
Dva: 10.1038/S41467-025-61677-2
Financování: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Japan Society pro propagaci vědy, fúzní orientovaný výzkum pro rušivou vědu a technologii, Japonská společnost pro propagaci vědy, Japonská společnost pro propagaci vědy, Japonská společnost pro propagaci vědy, Japonská společnost pro propagaci vědy, Japonská společnost pro propagaci vědy a technologické agentury, agentura Japonska, japonská věda a agentura pro technologii, Japonsko, japonská věda, agentura pro vědu, japonská věda a technologická agentura, agentura pro propagaci vědy a techniky
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
