_ Un roman Tehnica universală bazată pe lumină pentru a controla polarizarea văii în materiale în vrac

Electronii din interiorul materialelor solide pot lua doar anumite valori de energie. Intervalele de energie permise sunt numite „benzi”, iar spațiul dintre ele, energiile interzise, ​​este cunoscut sub denumirea de „benzi interzise”. Ambele împreună constituie „structura de bandă” a materialului, care este o caracteristică unică a fiecărui material specific.

Atunci când fizicienii trasează structura benzii, de obicei văd că curbele rezultate seamănă cu munții și văile. De fapt, termenul tehnic pentru un maxim sau minim de energie locală în benzi este numit „vale”, iar domeniul care studiază și exploatează modul în care electronii din material comută de la o vale la alta este numit „valleytronics”.

În electronica standard cu semiconductori, sarcina electrică a electronilor este cea mai utilizată proprietate exploatată pentru a codifica și manipula informațiile. Dar aceste particule au alte proprietăți care ar putea fi folosite în același scop, cum ar fi valea în care se află. În ultimul deceniu, scopul principal al valleytronics a fost să ajungă la populația văii de control (cunoscută și sub numele de polarizare a văii) în materiale.

O astfel de realizare ar putea fi folosită pentru a crea porți și biți clasice și cuantice, ceva care ar putea conduce cu adevărat dezvoltarea calculului și a procesării informațiilor cuantice.

Încercarile anterioare au prezentat câteva dezavantaje. . De exemplu, lumina folosită pentru a manipula și schimba polarizarea văii trebuia să fie rezonantă; adică, energia fotonilor săi (particulele care constituie lumina) trebuia să corespundă exact cu energia benzii interzise a acelui material particular.

Orice abatere mică reduce eficiența metodei, deci, cu condiția ca fiecare material să aibă propriile benzi interzise, ​​generalizarea mecanismului propus părea ceva inaccesibil. Mai mult, acest proces a fost realizat doar pentru structurile monostrat (materiale 2D, grosime doar de un atom).

Această cerință a împiedicat implementarea sa practică, deoarece monostraturile sunt de obicei limitate ca dimensiune și calitate și dificil de proiectat. .

Acum, cercetătorii ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska și Dr. Lenard Vamos, conduși de prof. ICREA Jens Biegert, în colaborare cu cercetătorii de la Max-Born-Institute, Max-Planck Institute for Science of Light și Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid au găsit o nouă metodă universală de a induce polarizarea văii în materiale vrac centrosimetrice.

Descoperirea, publicată în Nature, deblochează posibilitatea de a controla și manipula valea. populația fără a fi restricționată de materialul specific ales.

În același timp, metoda poate fi folosită pentru a obține o caracterizare mai detaliată a cristalelor și a materialelor 2D.

Aventura a început cu grupul experimental condus de prof. ICREA la ICFO Jens Biegert, care a dorit inițial să producă experimental polarizarea văii folosind metoda lor specială în materiale 2D, urmând liniile a ceea ce a fost demonstrat teoretic într-o lucrare teoretică anterioară de Álvaro Jiménez, Rui Silva și Misha Ivanov.

Pentru a stabili experimentul, măsurarea inițială a fost încercată pe MoS2 în vrac (un material în vrac format din multe monostraturi stivuite împreună), cu rezultatul surprinzător că au văzut semnătura polarizării văii. „Când am început să lucrăm la acest proiect, colaboratorii noștri de teorie ni s-au spus că arătarea polarizării văii în materialele în vrac era imposibilă”, explică Poborska.

Echipa teoretică remarcă, de asemenea, că, la început, modelul lor era potrivit doar pentru straturi 2D individuale. „La prima vedere, părea că adăugarea mai multor straturi ar împiedica selectarea văilor specifice din eșantion. Cu toate acestea, după primele rezultate experimentale, am ajustat simularea la materialele în vrac și a validat observațiile surprinzător de bine. Nici măcar nu am făcut încercați să vă potriviți cu orice. Este așa cum a ieșit”, adaugă prof. Misha Ivanov, liderul teoreticianului.

În cele din urmă, „s-a dovedit că da, puteți polariza de fapt materialele în vrac. care sunt simetrice centrale din cauza condițiilor de simetrie”, conchide Poborska.

Așa cum explică Igor Tyulnev, primul autor al articolului, „experimentul nostru a constat în crearea unui puls de lumină intens cu o polarizare care se potrivea cu acest interior. Rezultatul a fost așa-numitul „câmp trifoil”, a cărui simetrie se potrivea cu sub-rățelele triunghiulare care constituie materiale hexagonale hetero-atomice.”

Acest câmp puternic, potrivit simetriei, rupe simetria spațială și temporală. în interiorul materialului și, mai important, configurația rezultată depinde de orientarea câmpului trefoil în raport cu materialul. Prin urmare, „prin simpla rotire a câmpului de lumină incidentă, am reușit să modulăm polarizarea văii”, conchide Tyulnev, o realizare majoră în domeniu și o confirmare a unei noi tehnici universale care poate controla și manipula văile de electroni în materiale în vrac.

Experimentul poate fi explicat în trei etape principale: În primul rând, sinteza câmpului trefoil; apoi caracterizarea ei; și, în sfârșit, producerea efectivă a polarizării văii.

Cercetătorii subliniază precizia incredibil de mare pe care o necesita procesul de caracterizare, deoarece câmpul trefoil este format nu doar din unul, ci din două câmpuri optice combinate coerent. Unul dintre ele trebuia să fie polarizat circular într-o direcție, iar celălalt trebuia să fie a doua armonică a primului fascicul, polarizat cu mâna opusă. Ei au suprapus aceste câmpuri unul peste altul, astfel încât polarizarea totală în timp a urmărit forma dorită de trefoil.

La trei ani de la încercările experimentale inițiale, Igor Tyulnev este încântat de publicația recentă Nature. Apariția într-un jurnal atât de prestigios recunoaște noua metodă universală, care, după cum afirmă el, „poate fi folosită nu numai pentru a controla proprietățile unei largi varietati de specii chimice, ci și pentru a caracteriza cristalele și materialele 2D.”

Așa cum remarcă Prof. ICREA de la ICFO Jens Biegert, „Metoda noastră poate oferi un ingredient important pentru proiectarea materialelor eficiente din punct de vedere energetic pentru stocarea eficientă a informațiilor și comutarea rapidă. Aceasta abordează nevoia presantă de dispozitive cu consum redus de energie și viteză de calcul crescută. Nu pot să promit că ceea ce am oferit este soluția, dar este probabil o soluție la această mare provocare.”

(Fluierul)