Di dunia pertama, para ilmuwan secara langsung mengamati “rangsangan gelap” yang sulit dipahami

Pengaturan TR-Arpes yang digunakan dalam penelitian. Kredit: Jeff Prine (OIST)

Menggunakan salah satu sistem spektroskopi paling canggih di dunia, para peneliti telah mengembangkan kerangka kerja untuk memandu studi dalam teknologi informasi kuantum generasi berikutnya.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan di unit spektroskopi femtosecond di Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) telah secara langsung melacak bagaimana rangsangan gelap berkembang dalam bahan tipis secara atom. Prestasi ini membuka jalan bagi kemajuan dalam teknologi informasi klasik dan kuantum. Studi ini diterbitkan di Komunikasi Alam.

Profesor Keshav Dani, yang memimpin unit ini, menekankan pentingnya pekerjaan: “Eksiton gelap memiliki potensi besar sebagai pembawa informasi, karena mereka secara inheren lebih kecil kemungkinannya untuk berinteraksi dengan cahaya, dan karenanya kurang rentan terhadap degradasi sifat kuantum mereka, namun, tidak ada rute yang membuat mereka sangat menantang dan memanipulasi. rangsangan gelap. “

“Di bidang umum elektronik, satu memanipulasi muatan elektron untuk memproses informasi,” jelas Xing Zhu, penulis pertama dan mahasiswa PhD di unit. “Di bidang Spintronics, kami mengeksploitasi putaran elektron untuk membawa informasi. Melangkah lebih jauh, di Valleytronics, struktur kristal bahan unik memungkinkan kami untuk menyandikan informasi ke dalam keadaan momentum elektron yang berbeda, yang dikenal sebagai lembah.”

Kemampuan untuk menggunakan dimensi lembah rangsangan gelap untuk membawa posisi informasi sebagai kandidat yang menjanjikan untuk teknologi kuantum. Eksiton gelap pada dasarnya lebih tahan terhadap faktor lingkungan seperti latar belakang termal daripada generasi qubit saat ini, berpotensi membutuhkan pendinginan yang kurang ekstrem dan membuatnya kurang rentan terhadap dekoherensi, di mana keadaan kuantum yang unik rusak.

Pengaturan eksperimental di OIST, yang menampilkan mikroskop TR-ARPES terkemuka di dunia (spektroskopi fotoemission yang diselesaikan dengan waktu dan sudut), yang menampilkan hak milik XUV (Extreme Ultraviolet), yang mampu mencitrakan elektron dan exciton pada 10 waktu femtosecond (1fs = satu-satunya quadron. Kredit: Jeff Prine & Andrew Scott (OIST)

Mendefinisikan lanskap energi dengan rangsangan yang cerah dan gelap

Dalam sepuluh tahun terakhir, para peneliti telah membuat langkah yang signifikan dalam mempelajari keluarga yang tipis secara atom semikonduktor disebut TMD (transisi logam dikalcogenides). Seperti semua semikonduktor, TMD terdiri dari atom yang disusun dalam kisi kristal yang membatasi elektron ke tingkat energi yang ditentukan, atau pita, seperti pita valensi. Ketika cahaya menyentuh material, elektron diangkat dari pita valensi ke pita konduksi berenergi lebih tinggi, meninggalkan lowongan bermuatan positif yang dikenal sebagai lubang.

Daya tarik timbal balik antara elektron bermuatan negatif dan lubang bermuatan positif mengikatnya ke dalam kuasipartikel seperti hidrogen yang disebut rangsangan. Jika elektron dan lubang berbagi fitur kuantum spesifik, seperti memiliki konfigurasi putaran yang sama dan menempati “lembah” yang sama dalam ruang momentum (minimum energi yang tersedia di kisi kristal), mereka bergabung kembali dalam satu trilion detik (1PS = 10⁻¹² kedua), melepaskan cahaya. Ini dikenal sebagai rangsangan “cerah”.

Namun, jika sifat kuantum elektron dan lubang tidak cocok, elektron dan lubang dilarang dari penggabungan kembali sendiri dan tidak memancarkan cahaya. Ini ditandai sebagai rangsangan ‘gelap’. “Ada dua ‘jenis‘of Dark Excitons, ”jelas Dr. David Bacon, penulis pertama yang sekarang berada di University College London,“ Momentum-Dark dan Spin-Dark, tergantung di mana sifat-sifat elektron dan lubang dalam konflik. Ketidakcocokan dalam sifat tidak hanya mencegah rekombinasi langsung, memungkinkan mereka ada hingga beberapa nanodetik (1NS = 10⁻⁹ Kedua – skala waktu yang jauh lebih berguna), tetapi juga membuat rangsangan gelap lebih terisolasi dari interaksi lingkungan. ”

Struktur atom semikonduktor ultrathin seperti TMD adalah heksagonal, dan simetri ini tercermin dalam ruang momentum, di mana konduksi (atas) dan pita valensi (bawah) masing -masing memiliki minima energi lokal dan maxima pada titik tertentu (k), yang dapat divisualisasikan sebagai lembah dalam lanskap momentum. Simetri waktu-reversal dalam mekanika kuantum menentukan bahwa apa yang terjadi di satu lembah dicerminkan di lembah yang berlawanan: jika pita konduksi di k memiliki spin-down (merah), maka k ‘harus memiliki spin-up (biru), yang mengarah ke pola bergantian di sepanjang tepi segi enam. Reksito yang cerah terbentuk ketika elektron terletak di lembah yang sama dan memiliki putaran yang sama dengan lubang yang sesuai. Dengan menggunakan cahaya terpolarisasi dengan lingkaran kiri atau kanan, seseorang dapat secara selektif mengisi exciton terang di lembah tertentu. Sisipan menunjukkan pengukuran energi rangsangan cerah, menunjukkan kontras di lembah K dan K ‘. Kredit: Gambar Momentum Lansekap Bussolotti et al., (2018) Nano Futures 2 032001. Masukkan yang diadaptasi dari Zhu et al., (2025) Komunikasi Alam 16 6385

“Simetri atom TMD yang unik berarti bahwa ketika terpapar pada keadaan cahaya dengan polarisasi melingkar, seseorang dapat secara selektif menciptakan rangsangan yang cerah hanya di lembah spesifik. Ini adalah prinsip mendasar dari valleytronics. Namun, para rangsangan yang tidak berkuasa ini dapat diubah dengan banyak hal yang dapat disesuaikan dengan para rangsangan yang tidak dapat disesuaikan dengan banyak. adalah langkah kunci dalam mengejar aplikasi Valleytronic, ”jelas Dr. Vivek Pareek, penulis pertama dan lulusan OIST yang sekarang menjadi sesama postdoctoral fellow di California Institute of Technology.

Mengamati elektron pada skala femtosecond

Dengan sistem tr-arpes yang canggih (spektroskopi fotoemission-spektroskopi waktu dan sudut yang diselesaikan di OIST, dilengkapi dengan sumber XUV-top-top yang dibuat khusus (Extreme Ultraviolet) sumber, para peneliti dapat memantau betapa berbedanya rangsangan setelah rangsangan cerah yang dibentuk di lembah tertentu dari TMD Semicond. Mereka mencapai ini dengan mengukur momentum, status putaran, dan populasi elektron dan lubang pada saat yang sama, kombinasi sifat yang sebelumnya tidak pernah dikuantifikasi bersama.

Ilustrasi grafis dari hasil, menunjukkan bagaimana populasi exciton yang berbeda muncul dan berevolusi dari waktu ke waktu pada skala picosecond (1PS = 10−12 detik). Kredit: Jack Featherstone (OIST), diadaptasi dari Zhu et al. (2025) Komunikasi Alam 16 6385

Temuan mereka menunjukkan bahwa dalam picosecond, beberapa rangsangan cerah tersebar oleh fonon (getaran kisi kristal terkuantisasi) ke lembah momentum yang berbeda, menjadikannya momentum-gelap. Kemudian, rangsangan spin-dark mendominasi, di mana elektron telah membalik putaran di dalam lembah yang sama, bertahan pada skala nanosecond.

Dengan ini, tim telah mengatasi tantangan mendasar tentang cara mengakses dan melacak rangsangan gelap, meletakkan fondasi untuk Dark Valleytronics sebagai lapangan. Dr. Julien Madéo dari unit ini merangkum: “Berkat pengaturan TR-Arpes yang canggih di OIST, kami telah secara langsung mengakses dan memetakan bagaimana dan rangsangan gelap apa yang menyimpan informasi lembah yang berumur panjang. Perkembangan masa depan untuk membacakan Properti Lembah Excitons yang gelap akan membuka aplikasi lembah gelap yang luas di seluruh sistem informasi.”

Reference: “A holistic view of the dynamics of long-lived valley polarized dark excitonic states in monolayer WS2” by Xing Zhu, David R. Bacon, Vivek Pareek, Julien Madéo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael KL Man and Keshav M. Dani, 10 July 2025, Komunikasi Alam.
Dua: 10.1038/S41467-025-61677-2

Pendanaan: Okinawa Institut Sains dan Teknologi Universitas Pascasarjana, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Penelitian Berorientasi Fusi untuk Sains dan Teknologi yang Mengganggu, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Sains Jepang dan Badan Teknologi Badan Teknologi dan Teknologi Jepang

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.

BN Babel