Los científicos descubrieron una nueva técnica para excitar semiconductores

Los científicos han desarrollado una nueva técnica que utiliza pulsos ultrarrápidos de terahercios para controlar el movimiento atómico en semiconductores bidimensionales, lo que promete avances en el desarrollo de computadoras y dispositivos electrónicos de alta velocidad.

Un nuevo estudio aplica radiación de frecuencia ultrarrápida de terahercios a dichoslcógenos de metales de transición, que generan fonones coherentes.

Los semiconductores son la piedra angular de la tecnología de próxima generación, por lo que es probable que un nuevo método para excitar átomos en materiales semiconductores también entusiasme a una amplia gama de investigadores e industrias.

Aprovechando los intensos pulsos ultrarrápidos de terahercios de banda ancha, científicos de la Universidad Nacional de Yokohama y sus colegas del Instituto de Tecnología de California han demostrado la excitación atómica en un material semiconductor bidimensional, avanzando en el desarrollo de dispositivos electrónicos.

Su artículo se publicó el 19 de marzo y aparece como Editor’s Pick en la revista. Letras de Física Aplicada.

Los materiales bidimensionales (2D), o nanomateriales en forma de láminas, son plataformas prometedoras para futuras aplicaciones de semiconductores debido a sus propiedades electrónicas únicas. Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), un grupo destacado de materiales 2D, consisten en capas de átomos de metales de transición intercalados entre capas de átomos de calcógeno. Dispuestos en una estructura reticular, estos átomos pueden vibrar u oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio; esta excitación colectiva se conoce como fonón coherente y juega un papel crucial en la determinación y control de las propiedades del material.

Innovaciones en técnicas de inducción de fonones

Tradicionalmente, los fonones coherentes se inducen mediante láseres pulsados ​​​​ultracortos en las regiones visible e infrarroja cercana. Los métodos que utilizan otras fuentes de luz siguen siendo limitados.

«Nuestro estudio aborda la cuestión fundamental de cómo se inducen fonones coherentes mediante láseres ultrarrápidos de frecuencia de terahercios, o fotones de baja energía, en materiales TMD», dijo Satoshi Kusaba, profesor asistente en la Escuela de Graduados en Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama y primero. autor del estudio.

Esquemas de la excitación de terahercios de banda ancha ultrarrápida y la detección de la rotación de polarización de fonones en WSe2. El resultado obtenido (abajo a la derecha) incluye la señal de oscilación de fonones coherente excitada por un proceso de suma de frecuencias (arriba a la derecha). Crédito: Satoshi Kusaba / Universidad Nacional de Yokohama

La radiación de terahercios se refiere a ondas electromagnéticas con frecuencias en el rango de los terahercios, entre las frecuencias de microondas e infrarrojas. El equipo de investigación preparó pulsos ultrarrápidos de terahercios de banda ancha para inducir una dinámica de fonones coherente en películas delgadas de un TMD llamado WSe₂. Se ha dispuesto un sistema preciso y sensible para detectar la anisotropía óptica, es decir, cómo se comporta la luz al atravesar el material. Los investigadores investigaron los cambios en la orientación del campo eléctrico de los pulsos láser ultracortos cuando interactúan con el material; estos cambios se conocen como rotación de polarización.

Al observar cuidadosamente la pequeña anisotropía óptica inducida, el equipo logró detectar las señales de fonones inducidas por los pulsos de terahercios.

«El hallazgo más importante de nuestro estudio es que la excitación de terahercios puede inducir fonones coherentes en TMD a través de un proceso de excitación de frecuencia suma distinta», dijo Haw-Wei Lin, candidato a doctorado en el Instituto de Tecnología de California en el momento de la investigación y co -primer autor de este estudio. «Este mecanismo, que es fundamentalmente diferente de los procesos de absorción lineal y resonante, implica la energía combinada de dos fotones de terahercios que coinciden con la del modo fonón».

Dado que la simetría de los modos de fonones que pueden excitarse mediante este proceso de suma de frecuencias es completamente diferente de la del proceso lineal resonante más típico, el proceso de excitación utilizado con éxito en este estudio es importante para el control completo de los movimientos atómicos en los materiales. . Las implicaciones de los hallazgos del estudio se extienden más allá de la investigación fundamental y son prometedores para una variedad de aplicaciones del mundo real.

«Con el proceso de excitación de frecuencia suma, podemos controlar de manera coherente las posiciones atómicas bidimensionales utilizando la excitación de terahercios», dijo Kusaba. «Esto puede abrir la puerta al control de los estados electrónicos de los TMD, lo cual es prometedor para el desarrollo de Valleytronics y dispositivos electrónicos que utilizan TMD para bajo consumo de energía, computación de alta velocidad y fuentes de iluminación especializada».

Referencia: «Excitación de frecuencia de suma de terahercios de fonones ópticos coherentes en el semiconductor bidimensional WSe2» por Satoshi Kusaba, Haw-Wei Lin, Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama, Jun Takeda y Geoffrey A. Blake, 19 de marzo de 2024, Letras de Física Aplicada.
DOI: 10.1063/5.0191558

El estudio fue financiado por el Ministerio de Educación de Taiwán, la Fundación Nacional de Ciencias, NASAy la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.

Otros contribuyentes incluyen a Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama y Jun Takada de la Universidad Nacional de Yokohama; Geoffrey A. Blake del Instituto de Tecnología de California.