Os cientistas desenvolveram uma nova técnica usando pulsos terahertz ultrarrápidos para controlar o movimento atômico em semicondutores bidimensionais, prometendo avanços na computação de alta velocidade e no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos.
Novo estudo aplica radiação de frequência terahertz ultrarrápida a dichalcogenetos de metais de transição, gerando fônons coerentes.
Os semicondutores são a pedra angular da tecnologia da próxima geração, portanto, um novo método para excitar átomos em materiais semicondutores provavelmente também entusiasmará uma ampla gama de pesquisadores e indústrias.
Ao aproveitar pulsos terahertz ultrarrápidos intensos e de banda larga, cientistas da Universidade Nacional de Yokohama e seus colegas do Instituto de Tecnologia da Califórnia demonstraram excitação atômica em um material semicondutor bidimensional, avançando no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos.
O artigo deles foi publicado em 19 de março e aparece como Escolha do Editor na revista Cartas de Física Aplicada.
Materiais bidimensionais (2D), ou nanomateriais em forma de folha, são plataformas promissoras para futuras aplicações de semicondutores devido às suas propriedades eletrônicas únicas. Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), um grupo proeminente de materiais 2D, consistem em camadas de átomos de metais de transição imprensadas entre camadas de átomos de calcogênio. Dispostos numa estrutura de rede, estes átomos podem vibrar ou oscilar em torno das suas posições de equilíbrio – esta excitação colectiva é conhecida como fónon coerente e desempenha um papel crucial na determinação e controlo das propriedades dos materiais.
Inovações em técnicas de indução de fônons
Tradicionalmente, fônons coerentes são induzidos por lasers pulsados ultracurtos nas regiões do visível e do infravermelho próximo. Os métodos que utilizam outras fontes de luz permanecem limitados.
“Nosso estudo aborda a questão fundamental de como os fônons coerentes são induzidos por lasers ultrarrápidos de frequência terahertz – ou fótons de baixa energia – em materiais TMD”, disse Satoshi Kusaba, professor assistente da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Engenharia da Universidade Nacional de Yokohama e primeiro autor do estudo.
Esquemas da excitação terahertz de banda larga ultrarrápida e detecção de rotação de polarização do fônon em WSe2. O resultado obtido (canto inferior direito) inclui o sinal de oscilação de fônons coerente excitado através do processo de soma de frequência (canto superior direito). Crédito: Satoshi Kusaba/Universidade Nacional de Yokohama
A radiação Terahertz refere-se a ondas eletromagnéticas com frequências na faixa dos terahertz, entre as frequências de microondas e infravermelhas. A equipe de pesquisa preparou pulsos terahertz de banda larga ultrarrápidos para induzir dinâmica coerente de fônons em filmes finos de um TMD chamado WSe2. Foi montada uma configuração precisa e sensível para detectar a anisotropia óptica, ou seja, como a luz se comporta ao passar pelo material. Os pesquisadores investigaram as mudanças na orientação do campo elétrico dos pulsos de laser ultracurtos à medida que interagem com o material; essas mudanças são conhecidas como rotação de polarização.
Ao observar cuidadosamente a pequena anisotropia óptica induzida, a equipe conseguiu detectar os sinais de fônons induzidos pelos pulsos de terahertz.
“A descoberta mais importante do nosso estudo é que a excitação terahertz pode induzir fônons coerentes nas DTMs por meio de um processo distinto de excitação de soma de frequência”, disse Haw-Wei Lin, candidato a doutorado no Instituto de Tecnologia da Califórnia na época da pesquisa e co. -primeiro autor deste estudo. “Este mecanismo, que é fundamentalmente diferente dos processos de absorção ressonante e linear, envolve a energia combinada de dois fótons terahertz correspondentes à do modo fônon.”
Uma vez que a simetria dos modos de fônons que podem ser excitados através deste processo de soma de frequência é completamente diferente daquela do processo linear ressonante mais típico, o processo de excitação utilizado com sucesso neste estudo é importante para controlar totalmente os movimentos atômicos nos materiais. As implicações das descobertas do estudo vão além da pesquisa fundamental, sendo promissoras para uma variedade de aplicações no mundo real.
“Com o processo de excitação de soma de frequência, podemos controlar de forma coerente as posições atômicas bidimensionais usando a excitação terahertz”, disse Kusaba. “Isso poderia abrir a porta para o controle dos estados eletrônicos dos TMDs, o que é promissor para o desenvolvimento de Valleytronics e dispositivos eletrônicos usando TMDs para baixo consumo de energia, computação de alta velocidade e fontes de luz especializadas.”
Referência: “Excitação de frequência de soma Terahertz de fônons ópticos coerentes no semicondutor bidimensional WSe2” por Satoshi Kusaba, Haw-Wei Lin, Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama, Jun Takeda e Geoffrey A. Blake, 19 de março de 2024, Cartas de Física Aplicada.
DOI: 10.1063/5.0191558
O estudo foi financiado pelo Ministério da Educação de Taiwan, pela National Science Foundation, NASAe a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.
Outros colaboradores incluem Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama e Jun Takada da Universidade Nacional de Yokohama; Geoffrey A. Blake do Instituto de Tecnologia da Califórnia.
