范德瓦尔斯异质结构中杂化激子输运的电气控制

EPFL工程师找到了一种方法来控制激子之间的相互作用——准粒子有一天可能会传输数据并取代电子设备中的电子。工程师的方法涉及将电场应用于二维(2D)半导体材料。他们的发现发表在《自然光子学》上。

电子设备已成为现代社会几乎所有方面的基本特征。然而，部分由于互联网的使用越来越多，它们在处理速度和小型化方面正在突破自己的极限。更重要的是，它们在传输和存储信息时会消耗大量能量，并在传输过程中损失一些能量。工程师——包括EPFL的工程师——多年来一直致力于克服这些障碍，例如研究激子及其在二维材料中的行为。

激子由一个电子(带负电荷)和一个空穴(带正电荷)组成。它们掌握着下一代电子设备的关键——更小、更快、功率损耗更少的电子设备。对于可以替代电子或与电子一起工作的激子，携带数据和运行计算的是光而不是电。

“光已经用于光纤，”博士FedeleTagarelli说。EPFL纳米电子与结构实验室(LANES)的学生，由AndrasKis教授领导。“虽然光被广泛用于传输信息，但基于光的计算系统一直受到材料限制和可扩展性问题的阻碍。”

EdoardoLopriore，另一位博士。LANES的学生解释说，“与电子不同，激子在材料中移动时产生的热量要少得多，并且与光一起工作得很好。但是为了充分发挥它们的潜力，我们需要能够理解和控制它们的产生方式并相互影响，以及它们的速度和寿命。所有这些都还处于研究阶段。”在理想条件下，激子可以达到超流体状态，这意味着它们可以在没有能量或阻力的情况下移动——因此没有任何功率损失。

排斥力

LANES的工程师与德国马尔堡大学和日本国家材料科学研究所的同事一起，专门研究了激子的一个关键特性：它们之间的排斥力。他们开发了一个由多层不同材料组成的测试系统。顶层和底层由金属制成，而中间部分由绝缘材料和二维半导体材料层组成——在本例中为二硒化钨(WSe2)——彼此堆叠并通过范德法结合在一起瓦尔斯部队。二维材料具有极薄的独特特性——只有一层原子。“它们具有与3D材料完全不同的特性，让我们可以探索新的物理现象，”Tagarelli说。

工程师们在他们的设备上施加了一个电场，发现他们可以控制激子的排斥相互作用。“据我们所知，这是第一次证明这种控制，或者至少以如此简单的方式，”Tagarelli说。“我们发现了一种控制混合激子之间相互作用的新方法，这可以为凝聚态物理学的研究提供独特的机会。”在之前的一项研究中，LANES工程师成功地控制了激子的寿命和运动。

为了让工程师的方法起作用，激子不应直接受到电流影响，而是能够“感知”电场——因此外部金属层和内部绝缘层可以保护半导体二维材料。工程师的实验是在4开尔文的极低温度下进行的。

“这一发现进一步扩展了我们用于控制激子的工具包，以便有一天它们可以用于以对环境更负责任的方式处理数据，”Kis说。