Gracias a una nueva investigación realizada por el profesor asistente de ingeniería química y biología en Rensselaer, Sufei Shi, podemos comprender mejor cómo la luz interactúa con semiconductores atómicamente delgados y se crean partículas que poseen un nuevo grado cuántico de libertad. La investigación publicada en Nature Communications podría llevar al desarrollo de novedosas aplicaciones en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, como captadores solares, nuevos tipos de láseres o de sensores cuánticos.
El trabajo desarrollado por Shi se centra en los materiales cuánticos de baja dimensión y sus efecto cuánticos, con un interés particular en los materiales con fuertes interacciones con la luz. Estos materiales incluyen el grafeno, dicacogenuros de metales de transición (TMD), como diselenuro de tungsteno (WSe2), y aisladores topológicos.
Los TMD representan una nueva clase de semiconductores atómicamente delgados que tienen unas propiedades ópticas y optoelectrónicas superiores. Las excitación óptica en los TMD bidimensionales de una sola capa generan un par de agujeros de electrones fuertemente unidos llamados excitón, en lugar de electrones y agujeros que se mueven libremente como se produce en los semiconductores tradicionales. Esto se debe a la gran energía de enlace de los TMD monocapa, que es de ordenes de magnitud mucho mayor que los semiconductores tradicionales. Como resultado, el excitón puede sobrevivir a temperatura ambiente y, por lo tanto, puede utilizarse para la aplicación de dispositivos excitónicos.
A medida que aumenta la densidad del excitón, se unen más electrones y agujeros, formando complejos excitónicos de cuatro partículas e incluso de cinco. La comprensión de la formación de estos complejos excitónicos de muchas partículas no sólo da lugar a una comprensión fundamental de la interacción luz-materia en dos dimensiones, sino que también conduce al desarrollo de aplicaciones novedosas, ya que estos mantienen las propiedades de “spin de valle” mejor que el excitón. El “spin de valle” es similar al spin de los electrones, que se utiliza ampliamente en el almacenamiento de información, como los discos duros, y es un prometedor candidato para la computación cuántica. Sin embargo, a pesar de los recientes desarrollos en la comprensión de los excitones y triones en los TMDs, no se ha conseguido obtener una medida inequívoca de la energía de unión del biexcitón.
“Ahora, por primera vez, hemos revelado el verdadero estado del biexcitón, un complejo único de cuatro partículas que responde a la luz, así como la naturaleza del biexcitón cargado, un complejo de cinco partículas”, comenta Shi.
Para realizar el estudio y revelar esta interacción única luz-materia, el equipo de Shi desarrolló un dispositivo en el cual se apilaban múltiples materiales atómicamente delgados (2D), incluyendo grafeno, nitruro de boro (BN) y WSe2, a través de la interacción de van der Waals (vdW), que representa la técnica más avanzada de materiales bidimensionales.
Los resultados de esta investigación podrían conducir potencialmente a una robusta física óptica de “muchas partículas” e ilustrar posibles aplicaciones novedosas basadas en semiconductores 2D, concluyó Shi.
Este trabajo se realizó en colaboración con el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahasee, Florida, e investigadores del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales en Japón, así como con Shengbai Zhang, el profesor de la Constelación de Kodosky en el Departamento de Física en Rensselaer, cuyo trabajo desempeñó un papel fundamental en el desarrollo de una comprensión teórica del biexciton.
