Фэн Ван, физик-физик из отдела материаловедения лаборатории Беркли, провел исследование, в котором было продемонстрировано, что хорошо известное явление, известное как «оптический эффект Штарка», можно использовать для избирательного управления фотовозбужденными парами электронов / дырок. как экситоны — в разных энергетических долинах. В долотронике электроны движутся через решетку 2D-полупроводника как волна с двумя энергетическими долинами, каждая из которых характеризуется своим импульсом и числом квантовой долины. Это число квантовой долины можно использовать для кодирования информации, когда электроны находятся в минимальной энергетической долине.
Этот метод аналогичен спинтронике, в которой информация кодируется квантовым спиновым числом.«Это первая демонстрация важной роли, которую оптический эффект Штарка может играть в доллотронике», — говорит Фэн. «Наша методика, основанная на использовании фемтосекундных световых импульсов с круговой поляризацией для избирательного управления долиной степени свободы, открывает возможность сверхбыстрой манипуляции долинными экситонами для приложений квантовой информации».Ван, который также работает на физическом факультете Калифорнийского университета в Беркли, работал с двумерными полупроводниками, известными как материалы MX2, монослоями, состоящими из одного слоя атомов переходных металлов, таких как молибден (Mo) или вольфрам. (W), зажатый между двумя слоями атомов халькогена, таких как сера (S). Это семейство атомарно тонких 2D-полупроводников имеет ту же гексагональную «сотовую» решетку, что и графен.
Однако, в отличие от графена, материалы MX2 имеют естественную энергетическую запрещенную зону, которая облегчает их использование в транзисторах и других электронных устройствах.В прошлом году Ван и его группа сообщили о первом экспериментальном наблюдении сверхбыстрой передачи заряда в фотовозбужденных материалах MX2. Зарегистрированное время передачи заряда менее 50 фемтосекунд сделало материалы MX2 конкурентами графена для будущих электронных устройств.
В этом новом исследовании Ван и его группа с помощью оптического эффекта Штарка создали сверхбыстрые и сверхсильные псевдомагнитные поля для управления долинными экситонами в треугольных монослоях WSe2.«Оптический эффект Штарка описывает сдвиг энергии в двухуровневой системе, вызванный нерезонансным лазерным полем», — говорит Ван.
«Используя сверхбыструю спектроскопию с накачкой и зондом, мы смогли наблюдать чистый и избирательный по долинам оптический эффект Штарка в монослоях WSe2 от нерезонансной накачки, что привело к разделению энергии более чем на 10 миллиэлектронвольт между K и K «долинные экситонные переходы. Поскольку управление долинными экситонами с помощью реального магнитного поля трудно достичь даже с помощью сверхпроводящих магнитов, очень желательно создание индуцированного светом псевдомагнитного поля».
Как и спинтроника, долинтроника предлагает огромное преимущество в скорости обработки данных по сравнению с электрическим зарядом, используемым в классической электронике. Квантовый спин, однако, тесно связан с магнитными полями, что может вызвать проблемы со стабильностью.
Это не проблема для квантовых волн.«Зависимый от долин оптический эффект Штарка предлагает удобный и сверхбыстрый способ обеспечения когерентного вращения резонансно возбужденных поляризаций долин с высокой точностью», — говорит Ван. «Такое последовательное манипулирование поляризацией долины должно открыть захватывающие возможности для долинной электроники».