范德瓦尔斯异质结构中混合激子传输的电气控制
发布时间：2023-05-10 08:00:00 阅读数： 54
EPFL的工程师们已经找到了一种控制激子之间相互作用的方法。资料来源：2023年EPFL/ A.Herzog, CC-BY-SA 4.0
EPFL的工程师们已经找到了一种控制激子--有朝一日可能传输数据并取代电子设备中电子的准粒子--之间相互作用的方法。工程师们的方法涉及将电场应用于二维（2D）半导体材料。他们的研究结果发表在《自然-光子学》上。
电子设备已经成为现代社会几乎所有方面的一个基本特征。然而，部分由于互联网使用的不断增加，它们在处理速度和小型化方面正面临着极限。更重要的是，它们在传输和存储信息时消耗了大量的能量，并在传输过程中损失了一些能量。工程师们--包括EPFL的工程师们--多年来一直致力于克服这些障碍，例如通过研究激子及其在二维材料中的行为。
激子是由一个电子（带负电）和一个空穴（带正电）组成的。它们是下一代电子设备的关键--这些设备更小、更快，而且功率损失更少。有了激子，它们可以取代电子或与电子一起工作，携带数据和运行计算的是光而不是电。
"由Andras Kis教授领导的EPFL纳米电子和结构实验室（LANES）的博士生Fedele Tagarelli说："光已经被用于光纤。"尽管光被广泛用于传输信息，但基于光的计算系统一直受到材料限制和可扩展性问题的阻碍"。
LANES的另一位博士生Edoardo Lopriore解释说："激子与电子不同，它们在材料中移动时引起的热量要小得多，而且与光的作用非常好。但是为了充分利用它们的潜力，我们需要能够理解和控制它们是如何产生和相互作用的，以及它们的速度和寿命。所有这些仍处于研究阶段。" 在理想条件下，激子可以达到超流体状态，这意味着它们可以在没有能量或阻力的情况下旅行--因此没有任何动力损失。
斥力
LANES的工程师与德国马尔堡大学和日本国立材料科学研究所的同事一起，特别研究了激子的一个关键属性：它们之间的排斥力。他们开发了一个由几层不同材料组成的测试系统。顶层和底层由金属制成，而中间部分由绝缘材料和半导体二维材料层--在这种情况下是二硒化钨（Se2）--相互堆叠并通过范德华力结合在一起。二维材料的独特之处在于其极薄--只有一层原子。"塔加雷利说："它们具有与三维材料完全不同的特性，让我们探索新的物理现象。
工程师们对他们的设备施加了一个电场，发现他们可以控制激子的排斥性相互作用。"塔加雷利说："据我们所知，这是第一次证明这种控制，或者至少是以如此简单的方式。"我们已经发现了一种控制混合激子之间相互作用的新方法，这可以为凝聚态物理学的研究提供一个独特的机会。" 在之前的一项研究中，LANES的工程师成功控制了激子的寿命和运动。
为了使工程师们的方法奏效，激子不应该直接受到电流的影响，而应该能够 "感知 "电场--因此要有外部金属层和内部绝缘层来保护半导体2D材料。工程师们的实验是在4开尔文的极低温度下进行的。
"基斯说："这一发现进一步扩大了我们控制激子的工具箱，以便有一天它们可以被用来以一种更环保的方式处理数据。
参考资料：Fedele Tagarelli et al, Electrical control of hybrid exciton transport in a van der Waals heterostructure, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01198-w
