Obtención de imágenes directamente de estados cuánticos en materiales bidimensionales

Cuando algunos semiconductores absorben luz, se pueden formar excitones (o pares de partículas formadas por un electrón unido a un hueco de electrón). Cristales bidimensionales de disulfuro de tungsteno (WS_dos) tienen estados de excitón únicos que no se encuentran en otros materiales. Sin embargo, estos estados son de corta duración y pueden cambiar de uno a otro muy rápidamente.

Los científicos han desarrollado un nuevo enfoque para crear imágenes separadas de estos estados cuánticos individuales. Al rastrear los estados cuánticos individuales, los investigadores demostraron que los mecanismos de acoplamiento que conducen a la mezcla de los estados pueden no coincidir completamente con las teorías actuales.

Los científicos están entusiasmados con los dicalcogenuros de metales de transición, la familia de cristales que incluye el disulfuro de tungsteno, porque absorben la luz con tanta fuerza a pesar de tener solo unos pocos átomos de espesor. Los investigadores podrían usar estos cristales para construir nuevas células solares a nanoescala o sensores electrónicos. Usando una nueva técnica llamada microscopía de momento resuelta en el tiempo, los investigadores ahora pueden rastrear mejor las transiciones entre diferentes estados cuánticos de excitones. Esta técnica es ampliamente aplicable, por lo que los científicos ahora pueden poner otros materiales y dispositivos de próxima generación bajo este microscopio en este momento para ver cómo funcionan.

Se puede formar una variedad de estados de excitón inducidos por la luz en dicalcogenuros de metales de transición (TMD) de una sola capa como WS_dos bajo diferentes condiciones. Variar la longitud de onda o el poder de la luz excitante o la temperatura del cristal permite que se formen o persistan diferentes estados de excitón. La luz polarizada circularmente, donde la dirección del campo eléctrico gira en torno a la dirección de la onda de luz, puede crear selectivamente excitones con una determinada configuración de espín cuántico en un conjunto específico de bandas de energía.

Investigadores de la Universidad de Stony Brook han desarrollado un instrumento único para visualizar directamente este efecto bajo diferentes condiciones de excitación de luz ultrarrápida y desentrañar la compleja combinación de estados cuánticos que se pueden formar.

Publicado en cartas de revisión física, estos nuevos hallazgos muestran cómo la fuerza que mantiene unidos el electrón y el hueco del electrón en el excitón también contribuye al acoplamiento muy rápido, o mezcla, de diferentes estados del excitón. Los investigadores demostraron que este efecto conduce a la mezcla de excitones con diferentes configuraciones de espín mientras se conserva la energía y el impulso en el proceso de acoplamiento.

Sorprendentemente, los resultados mostraron que la tasa de mezcla de los excitones no dependía de las energías de los excitones como habían predicho previamente los investigadores. Este estudio proporciona un apoyo experimental crucial para algunas teorías actuales del acoplamiento de excitones en los TMD, pero también arroja luz sobre discrepancias importantes. Comprender la interacción entre estos estados de excitón es un paso clave para aprovechar el potencial de los TMD para la nanotecnología y la detección cuántica.