Використовуючи одну з найсучасніших у світі систем спектроскопії, дослідники розробили основу для керівництва дослідженнями в квантових інформаційних технологіях нового покоління.
Вперше вчені в фемтосекундній підрозділі спектроскопії в Інституті науки та техніки Окінава (OIST) безпосередньо відстежували, як темні екситони розвиваються в атомічно тонких матеріалах. Це досягнення прокладає шлях для досягнення як класичних, так і квантових інформаційних технологій. Дослідження було опубліковано в Природні комунікації.
Професор Кешав Дані, який очолює підрозділ, підкреслив важливість роботи: «Темні екситони мають великий потенціал як інформаційні носії, оскільки вони за своєю суттю рідше взаємодіють із світлом, а отже, менш схильні до деградації своїх квантових властивостей. темних екситонів “.
“У загальній галузі електроніки один маніпулює електронним зарядом для обробки інформації”,-пояснює Сін Чжу, співавтор автор та докторантур у підрозділі. “У галузі спінтроніки ми використовуємо спін електрони для перенесення інформації. Далі, у валітроніці, кристалічна структура унікальних матеріалів дозволяє нам кодувати інформацію в чіткі стани електронів, відомих як долини”.
Можливість використовувати вимір долини темних екситонів для переносу інформаційних позицій як перспективних кандидатів для квантових технологій. Темні екситони за своєю природою більш стійкі до факторів навколишнього середовища, таких як тепловий фон, ніж поточне генерація кубітів, що потенційно потребує менш екстремального охолодження та робить їх менш схильними до декогерентності, де унікальний квантовий стан руйнується.
Визначення пейзажів енергії з яскравими та темними екситонами
В останні десять років дослідники досягли значних успіхів у вивченні сім’ї атомічно тонких напівпровідники називають TMD (перехідний метал дихалькогеніди). Як і всі напівпровідники, TMD складаються з атомів, розташованих у кристалічній решітці, яка обмежує електрони до визначених рівнів енергії або смуг, таких як валентна смуга. Коли світло вражає матеріал, електрони піднімаються з валентної смуги в діапазон провідної енергії, залишаючи після себе позитивно заряджені вакансії, відомі як отвори.
Взаємне потяг між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими отворами зв’язує їх у водневі квазічастинки, що називаються екситонами. Якщо електрон і отвір поділяють конкретні квантові функції, такі як однакова конфігурація спіну та займають ту саму «долину» у просторі імпульсу (мінімуми енергії, доступні в кристалічній решітці), вони рекомбінують протягом трильйонів секунди (1ps = 10−12 друге), звільнення світла. Вони відомі як “яскраві” екситони.
Однак, якщо квантові властивості електрона і отвору не відповідають, електрон і отвір заборонено рекомбінувати самостійно і не випромінювати світло. Вони характеризуються як “темні” екситони. “Є два”види“Темні екситони”,-пояснює доктор Девід Бекон, співавтор, який зараз перебуває в університетському коледжі Лондона, “Імпульс-темрява та спін-темна, залежно від того, де в конфлікті є властивості електрона та діри. Невідповідність у властивостях не лише запобігає негайній рекомбінації, що дозволяє їм існувати до декількох наносекунд (1ns = 10−9 По -друге – набагато корисніший часовий масштаб), але також робить темні екситони більш ізольованими від екологічних взаємодій ».
“Унікальна атомна симетрія TMD означає, що, потрапляючи на стан світла з круговою поляризацією, можна вибірково створити яскраві екситони лише в конкретній долині. Це основний принцип долини. Ключовим кроком у здійсненні заявок на Valleytronic “,-пояснює доктор Вівек Парейк, співавтор та випускник OIST, який зараз є президентським докторантом у Каліфорнійському технологічному інституті.
Спостереження за електронами за шкалою фемтосекунди
Завдяки найсучаснішій TR-ARPES (спектроскопія фотоемісії, що розводиться з часом та кутом) в OIST, оснащеному на замовлення, побудованому на замовлення XUV (екстремального ультрафіолетового) джерелом, дослідники змогли контролювати, як різні екситони розвивалися після яскравих екситонів у певній долині тмд-напівпровідника. Вони здійснили це шляхом вимірювання імпульсу, стану віджиму та населення електронів та отворів одночасно, поєднання властивостей, які раніше ніколи не були кількісно оцінені разом.
Їх висновки показують, що в пікосекунді деякі яскраві екситони розкидані фононами (квантованими кристалічними коливами решітки) на різні долини імпульсу, що передає їм імпульс темним. Пізніше домінують екситони з спіно-темними, де електрони перекинули спін у одній долині, що зберігається на наносекундних масштабах.
Завдяки цьому команда подолала фундаментальну проблему того, як отримати доступ та відстежувати темні екситони, закладаючи основу для темної долини як поля. Доктор Жульєн Мадео з підрозділу підсумовує: “Завдяки витонченому налаштуванню TR-Arpes в OIST, ми безпосередньо отримали доступ і відобразили, як і які темні екситони зберігають інформацію про довговічну долину. Майбутні розробки для читання властивостей долини темних екситонів розблокують широкі валлітронічні програми в різних інформаційних системах”.
Довідка: “Цілістичний погляд на динаміку довгоживучої долини поляризованих темних екситонічних держав у монолашеві WS2” Сін Чжу, Девід Р. Бекон, Вівек Парек, Жульєн Мадео, Такаші Танігучі, Кенджі Ватанабе, Майкл К.Л. та Кешав М. Дані, 10 липня 2025, 20 липня 2025, Природні комунікації.
Doi: 10.1038/S41467-025-61677-2
Funding: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Japan Society for the Promotion of Science, Fusion Oriented REsearch for disruptive Science and Technology, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Science and Technology Agency
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
