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科学家们发现了一种调整电子能级的新方法

em一组研究人员发现了使用激光调谐二维晶体膜中电子能级的新方法。 / em

由于麻省理工学院的研究人员发现了一种调整二维水晶膜中电子能级的新方法,所以更快,更高效的数据存储和计算机逻辑系统即将出现。

这一发现最终可以为开发所谓的“谷底电子”器件铺平道路,该器件利用电子聚集在两个相同能量状态(称为谷)周围的方式。

工程师们在一段时间内警告说,我们已经达到了我们可以制造基于电子电荷的传统电子晶体管的极限。

因此,研究人员一直在研究称为自旋的电子属性的用途,以存储和操作数据;这种技术被称为自旋电子学。

但是,除了电荷和自旋之外,材料中的电子还有另一个“自由度”,即谷值指数。这是所谓的,因为绘制电子的能量相对于它们的动量的结果是由具有两个谷的曲线构成的曲线图,这些谷在电子穿过材料时由电子填充。

利用这种自由度可以允许通过用电子选择性填充两个谷地来在一些材料中存储和处理信息。

然而,开发这种谷底电子器件需要一个系统来选择性地控制两个谷内的电子,迄今为止证明这很难实现。

现在,在今天发表在“科学”杂志上的一篇论文中,麻省理工学院物理学副教授Nuh Gedik领导的研究人员描述了一种使用激光来独立控制两个谷中的电子的新方法,在二硫化钨的原子级薄晶体内。

“这两个谷完全处于相同的能级,这对于应用来说并不一定是最好的,因为你希望能够调整它们,稍微改变能量,使电子从[更高]移动到更低能源状态,“Gedik说。

虽然这可以通过施加磁场来实现,但即使是强度为10特斯拉的非常强大的实验室磁体也只能将谷底能级移动约2毫伏(meV)。

研究人员之前已经表明,通过引导一个超快激光脉冲,将其调谐到稍低于材料共振频率的频率,他们能够通过称为“光学斯塔克效应”的效应来改变其中一个谷的能量,而其他的谷地几乎没有变化。通过这种方式,他们能够实现高达20meV的能量转换。

“材料内部的光线和电子形成了一种混合状态,这有助于推动能量水平,”Gedik说。

在最新的实验中,研究人员发现,通过将激光频率调谐到低于共振的程度,并增加其强度,他们能够同时改变两个谷的能级,并显示出非常罕见的物理现象。

根据MIT物理博士生Edbert Jarvis Sie的论文,该论文的第一作者指出,尽管一个谷仍然像以前一样由于光学Stark偏移而发生变化,但另一个谷则通过称为“Bloch-Siegert偏移”的不同机制转移。

虽然布洛赫 - 西格特尔的变化在1940年首次被预测,并且不久之后帮助启发威利斯兰姆获得了1955年诺贝尔奖得主发现的氢原子中的兰姆移位,但在固体中观察它仍然是一个相当大的挑战。

事实上,除了所谓的人造原子之外,迄今为止还没有在固体中观察到新的机制,因为由此产生的变化太小,Sie说。在Gedik实验室进行的实验产生了10meV的Bloch-Siegert漂移,这比之前所见的要大1,000倍。

更重要的是,这两种效应 - 布洛赫 - 西格特偏移和光学斯塔克偏移 - 以前倾向于在相同的光学过渡中发生,这意味着研究人员很难解开这两种机制,Sie说。

“在我们的工作中,我们可以非常自然地解开这两种机制,因为当一个谷表现出光学Stark转变时,另一个谷表现出Bloch-Siegert转变,”Sie说。 “这种材料在这种材料中可以很好地工作,因为这两种机制与两个山谷有类似的关系。它们与所谓的时间反转对称有关。“

Nuh表示,这应该能够加强对二维材料中谷电子性能的控制。 “它可以给你更多的自由来调整电子谷,”他说。

研究团队包括梁福,麻省理工学院物理系的Lawrence C.和Sarah W. Biedenharn助理教授;麻省理工学院电气工程副教授Jing Kong;加州大学河滨分校物理学助理教授Chun Hung Lui;台湾国立清华大学助理教授李益贤。这项工作得到了美国能源部,戈登贝蒂摩尔基金会,国家科学基金会和台湾科技部的支持。

根据亚利桑那大学物理学助理教授John Schaibley的说法,该论文是Bloch-Siegert在半导体领域的首份报告,该研究并未参与该研究。

“Gedik和他的同事表示,他们可以控制这种三原子厚半导体的能量转换,”他说。 “通过改变激光的偏振态,他们可以使用Bloch-Siegert偏移来控制不同的电子状态。”

出版物:Edbert J. Sie1等人,“单层WS2中的大的,谷底独有的Bloch-Siegert漂移”Science 2017年3月10日:Vol。 355卷,6329期,1066-1069页; DOI:10.1126 / science.aal2241

来源:麻省理工新闻Helen Knight