חוקרי ICFO גילו שיטה חדשה לשלוט בעמקי אלקטרונים בחומרים בתפזורת, שעלולה לחולל מהפכה באופן שבו המידע מקודד ומתמרן בטכנולוגיות מחשוב וקוונטיות. המחשה אמנותית של תקרית שדה הטרפיל על החומר בתפזורת MoS2.
אלקטרונים בתוך חומרים מוצקים מוגבלים לרמות אנרגיה ספציפיות, הידועות בשם "להקות". הרווח בין הלהקות הללו, האנרגיות האסורות, ידועים כ"פערי הלהקה". שניהם יחד מהווים את "מבנה הלהקה" של החומר, שהוא מאפיין ייחודי של כל חומר ספציפי.
כשפיזיקאים מתווים את מבנה הלהקה, הם בדרך כלל רואים שהעקומות המתקבלות דומות להרים ועמקים. למעשה, המונח הטכני למקסימום או מינימום אנרגיה מקומי ברצועות נקרא "עמק", והתחום שחוקר ומנצל את האופן שבו אלקטרונים בחומר עוברים מעמק אחד למשנהו נקרא "עמק טרוניקה".
באלקטרוניקה מוליכים למחצה סטנדרטיים, המטען החשמלי של האלקטרונים הוא התכונה הנפוצה ביותר המנוצלת כדי לקודד ולתפעל מידע. אבל לחלקיקים האלה יש תכונות אחרות שיכולות לשמש גם לאותה מטרה, כמו העמק שבו הם נמצאים. בעשור האחרון, המטרה העיקרית של valleytronics הייתה להגיע לשליטה של אוכלוסיית העמק (המכונה גם קיטוב העמקים ) בחומרים. הישג כזה יכול לשמש ליצירת שערים וביטים קלאסיים וקוונטיים, משהו שיכול באמת להניע את הפיתוח של מחשוב ועיבוד מידע קוונטי.
ניסיונות קודמים הציגו מספר חסרונות. לדוגמה, האור ששימש לתמרן ולשנות קיטוב העמק היה צריך להיות תהודה, כלומר, האנרגיה של הפוטונים שלו (החלקיקים המהווים אור) הייתה צריכה להתאים בדיוק לאנרגיה של פער הרצועות של החומר המסוים הזה. כל סטייה קטנה הפחיתה את יעילות השיטה ולכן, בתנאי שלכל חומר יש פערי פס משלו, הכללת המנגנון המוצע נראתה כמשהו מחוץ להישג יד. יתר על כן, תהליך זה הושג רק עבור מבנים חד-שכבתיים (חומרים דו-ממדיים, רק אחד אָטוֹם-עבה). דרישה זו הפריעה ליישום המעשי שלה, שכן מונו-שכבות מוגבלות בדרך כלל בגודלן, באיכותן וקשות להנדסה.
סכמטי של אפקט הקיטוב של העמק, כאשר שדה הטרפויל המתרחש (בסגול) גורם לקיטוב העמק בחומר התפזורת MoS2. ניתן לשלוט באפקט זה על ידי סיבוב השדה ביחס לחומר. קרדיט: ICFO
כעת, חוקרי ה-ICFO איגור טיולנב, ג'וליטה פובורסקה וד"ר לנארד ואמוס, בראשות פרופ' ICREA Jens Biegert, בשיתוף חוקרים ממכון מקס-בורן, מכון מקס-פלנק למדע האור, ו-Instituto de. Ciencia de Materiales de Madrid מצאו שיטה אוניברסלית חדשה לגרום לקיטוב עמק בחומרים בתפזורת צנטרוסימטריים. התגלית, שפורסמה ב טֶבַע, פותח את האפשרות לשלוט ולתפעל את אוכלוסיית העמק מבלי להיות מוגבל על ידי החומר הנבחר הספציפי. יחד עם זאת, ניתן להשתמש בשיטה כדי לקבל אפיון מפורט יותר של גבישים וחומרים דו מימדיים.
קיטוב עמק בחומרים בתפזורת אפשרי
ההרפתקה החלה עם קבוצת הניסויים בראשות ICREA פרופ' ב-ICFO Jens Biegert אשר בתחילה רצה לייצר קיטוב עמק באמצעות השיטה המסוימת שלהם בחומרים דו-ממדיים, בהתאם לקווים של מה שהוכח תיאורטית במאמר תיאורטי קודם של Álvaro Jiménez, רואי סילבה ומישה איבנוב. כדי להגדיר את הניסוי, המדידה הראשונית נוסתה ב-MoS בתפזורת2 (חומר בתפזורת עשוי משכבות רבות המוערמות יחד) עם התוצאה המפתיעה שהם ראו את החתימה של קיטוב העמק. "כשהתחלנו לעבוד על הפרויקט הזה, נאמר לנו על ידי משתפי הפעולה בתיאוריה שלנו שהצגת קיטוב עמק בחומרים בתפזורת היא די בלתי אפשרית", מסבירה ג'וליטה פובורסקה.
הצוות התיאורטי מעיר גם כיצד, בהתחלה, המודל שלהם התאים רק לשכבות דו-ממדיות בודדות. "במבט ראשון נראה היה שהוספת שכבות נוספות תפריע לבחירה של עמקים ספציפיים במדגם. אבל לאחר תוצאות הניסוי הראשונות, התאמנו את הסימולציה לחומרים בתפזורת והיא אימתה את התצפיות בצורה מפתיעה. אפילו לא ניסינו להתאים שום דבר. זה בדיוק איך שזה יצא", מוסיף פרופ' מישה איבנוב, מנהיג התיאורטיקנים. בסופו של דבר, "התברר שכן, אתה באמת יכול לקוטב בעמק חומרים בתפזורת שהם סימטריים מרכזיים, בגלל תנאי הסימטריה", מסכם פובורסקה.
חוקרים ב-ICFO. משמאל לימין: ד"ר לנארד ואמוס, ג'וליטה פובורסקה, איגור טיולנב ופרופ' ICREA Jens Biegert. קרדיט: ICFO
כפי שמסביר איגור טיולנב, המחבר הראשון של המאמר, "הניסוי שלנו כלל יצירת דופק אור עז עם קיטוב שהתאים למבנה הפנימי הזה. התוצאה הייתה מה שנקרא "שדה משולש", שהסימטריה שלו תאמה את הסריגים המשולשים המהווים חומרים משושה הטרו-אטומיים.
השדה החזק התואם לסימטריה שובר את סימטריית המרחב והזמן בתוך החומר, וחשוב מכך, התצורה המתקבלת תלויה בכיוון שדה הטרפיל ביחס לחומר. לכן, "על ידי סיבוב פשוט של שדה האור הנכנס, הצלחנו לווסת את קיטוב העמק", מסכם טיולנב, הישג גדול בתחום ואישור לטכניקה אוניברסלית חדשה שיכולה לשלוט ולתפעל את עמקי האלקטרונים בחומרים בתפזורת.
תהליך הניסוי
ניתן להסביר את הניסוי בשלושה שלבים עיקריים: ראשית, סינתזה של שדה הטרפויל; ואז האפיון שלו; ולבסוף, הייצור בפועל של קיטוב העמק.
החוקרים מדגישים את הדיוק הגבוה להפליא שתהליך האפיון דרש, שכן שדה הטרפויל מורכב לא רק משדה אחד, אלא משני שדה אופטי המשולב באופן קוהרנטי. אחד מהם היה צריך להיות מקוטב מעגלי בכיוון אחד, והשני צריך להיות ההרמוניה השנייה של הקרן הראשונה, מקוטבת בידיות הפוכה. הם הרכיבו את השדות הללו זה על זה, כך שהקיטוב הכולל בזמן התחקה אחר צורת העץ הרצויה.
שלוש שנים לאחר הניסיונות הניסויים הראשוניים, איגור טיולנב נפעם מהאחרון טֶבַע פרסום. ההופעה בכתב עת כה יוקרתי מזהה את השיטה האוניברסלית החדשה אשר, כפי שהוא קובע, "יכולה לשמש לא רק כדי לשלוט בתכונות של מגוון רחב של כימיקלים. מִיןאלא גם לאפיין גבישים וחומרים דו מימדיים".
כפי שמציין פרופ' ICREA ב-ICFO Jens Biegert: "השיטה שלנו עשויה לספק מרכיב חשוב להנדסת חומרים יעילים באנרגיה לאחסון מידע יעיל ומעבר מהיר. זה נותן מענה לצורך הדוחק במכשירים בעלי צריכת אנרגיה נמוכה ומהירות חישוב מוגברת. אני לא יכול להבטיח שמה שסיפקנו הוא הפתרון, אבל זה כנראה פתרון אחד לאתגר הגדול הזה".
