三明治式结构:走向超低能量激子电子

• 新的微腔构建技术可以观察到稳健的室温激子输运
• 通过最大化光子-激子能量交换，最大限度地减少对单层的破坏，优化了极化子性能

一种新的“三明治式”制造工艺，在两个镜子之间只放置一个原子薄的半导体，使澳大利亚研究人员朝着基于光物质混合粒子激子-极化激子的超低能量电子器件迈出了重要一步。

由澳大利亚国立大学领导的这项突破，证明了在高质量的镜子之间，混合了光的激子具有强大的、无耗散的传播。

传统电子学依赖于流动的电子或“空穴”(空穴是指缺少电子，即带正电的准粒子)。

然而，未来电子学的一个主要领域却将重点放在使用上激子(一个电子被束缚在一个空穴上)，因为原则上，它们可以在半导体中流动而不损失能量，形成集合体超流体状态。而在新的、积极研究的原子薄半导体中的激子在室温下是稳定的。

因此，原子薄的半导体是一种很有前途的低能量应用材料，如新型晶体管和传感器。然而，正是因为它们很薄，它们的性质，包括激子的流动，受到制造过程中可能引入的无序或缺陷的强烈影响。

澳大利亚国立大学领导的FLEET团队与斯威本大学的同事和FLEET合作机构弗罗茨瓦夫大学的同事一起，将原子薄材料中的激子与光耦合起来，首次在室温下演示了它们的远程传播而没有任何能量耗散。

当一个激子(物质)与一个光子(光)结合时，它会形成一个新的混合粒子——激子-极化子。将光线捕捉在两个平行的高质量镜子之间光学微腔允许这种情况发生。

在这项新研究中，一种新的“三明治式”光学微腔制造工艺使研究人员能够最大限度地减少对原子薄半导体的损害，并最大限度地提高激子和光子之间的相互作用。在这种结构中形成的激子-极化激子能够在几十微米的范围内传播，而没有能量耗散，这是电子微芯片的典型尺度。

微腔的构建是关键

高质量的光学微腔，确保光(光子)组件的寿命激子极化是这些观测的关键。

研究发现，激子-极化振子可以被制成非常稳定的微腔以特定的方式构造，避免在制造过程中夹在反射镜之间的易碎半导体的损坏。

该研究的主要通讯作者Matthias Wurdack说:“激子在其中运动的原子薄材料的选择远不那么重要。”

“我们发现微腔的构造是关键，”马蒂亚斯说，“当我们使用硫化钨(WS₂)在这个特殊的实验中，我们相信任何其他原子薄的TMDC材料也会起作用。”

(过渡金属二卤属化合物是激子的极好宿主，它所含的激子在室温下是稳定的，并与光强烈相互作用)。

该团队通过一个接一个地堆叠所有组件来构建微腔。首先制作微腔的底部反射镜，然后在其上放置半导体层，然后在微腔的顶部放置另一个反射镜来完成微腔。关键的是，该团队并没有将上镜结构直接沉积在以原子薄著称的脆弱半导体上，这种半导体在任何材料沉积过程中都很容易损坏。

“相反，我们单独制造整个顶部结构，然后将其机械地放在半导体顶部，就像做三明治一样，”马蒂亚斯说。

“因此，我们避免了对原子薄半导体的任何损害，并保留了其激子的性质。”

重要的是，研究人员优化了这种夹心方法，使空腔非常短，从而最大限度地提高了激子-光子相互作用。

马提亚斯说:“我们也从一些意外发现中受益。”“一个制造事故最终成为我们成功的关键!”

这个意外的“意外”来自于两个镜子之间的气隙，使它们不是严格平行的。

微腔中的楔形为激子极化激子创造了一个电压/电位“斜坡”，粒子沿着斜坡向上或向下移动。

研究人员发现，一定比例的激子-极化激子的运动具有总能量守恒(势能和动能)，无论是向上还是向下。沿着斜坡向下运动，它们将势能转化为等量的动能，反之亦然。

总能量的完美守恒意味着没有能量在热量中损失(由于“摩擦”)，这标志着极化激元的“弹道”或无耗散传输。尽管本研究中的极化激元没有形成超流体，但由于所有导致能量损失的散射过程都被抑制，因此实现了无耗散。

小组负责人Elena Ostrovskaya教授(ANU)说:“这是首次在原子薄的TMDCs中演示室温极化子的弹道输运，是迈向未来超低能量激子电子技术的重要一步。”

除了产生潜在的“斜率”之外，同样的制造事故还为激子-极化激子创造了一个潜在的阱。这使得研究人员能够捕捉和积累阱中移动的激子-极化激子——这是在微芯片上捕获和引导它们的关键的第一步。”

激子-极化激子的远距离室温流动

此外，研究人员证实，激子-极化激子可以在原子薄的半导体中传播几十微米(对于功能电子器件来说足够远)，而不会在材料缺陷上散射。这与这些材料中的激子相反，激子的行程长度因这些缺陷而大大缩短。

此外，激子-极化激子能够保持其内在的相干性(空间和时间上不同点的信号之间的相关性)，这预示着它们作为信息载体的潜力。

Matthias Wurdack说:“这种长距离相干输运是在室温下实现的，这对开发原子薄半导体的实际应用非常重要。”

如果未来激子器件要成为一种可行的、低能量的传统电子器件的替代品，它们必须能够在室温下工作，而不需要能量密集型的冷却。

“事实上，与直觉相反，我们的计算表明，在更高的温度下，传播长度越来越长，这对技术应用很重要，”Matthias说。

这项研究

原子薄半导体中室温激子极化元的运动窄化、弹道输运和俘获发表于自然通讯2021年9月(DOI: 10.1038/s41467-021-25656-7)

还有来自澳大利亚研究理事会(卓越中心计划)作者也承认样品制作的技术支持来自澳大利亚国家制造工厂(ANFF) ACT节点，由波兰科学基金会(FNP) START程序，和欧洲研究理事会(ERC)无限2d项目。

寻求电子/计算的可持续未来

激子-极化元的无耗散输运是实现低能激子晶体管的一种候选物理现象。

奥斯特罗夫斯卡娅教授是负责人FLEET的研究主题2，该项目寻求在原子级薄的半导体中创造激子-极化子凝聚体(可以显示超流体的集体态)，以实现电流流动，而浪费的能量耗散最小，这是FLEET寻求的新一代近零电阻、超低能量电子器件。

未来低能电子技术中心(FLEET)是由100多名研究人员合作建立的，旨在开发超低能量电子产品，以应对计算中能源使用的挑战，计算已经消耗了全球8%的电力，并且每十年就会翻一番。

更多的信息

• 联系Elena Ostrovskaya教授(澳大利亚国立大学)elena.ostrovskaya@anu.edu.au
• 访问的澳大利亚国立大学BEC研究小组
• 读研究主题2新闻:激子超流体
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