У квантовых полупроводниковых технологий есть одна большая проблема — они работают на крайне малых масштабах. При попытке перенести технологию с субатомного уровня на макроскопический уникальные свойства материалов перестают работать. Международной команде ученых удалось тем не менее разработать способ сохранения особых квантовых характеристик даже в трехмерных материалах.
«Хотя возможности двухмерных (2D) материалов огромны, а их потенциал революционен, сохранение их превосходных свойств за пределами двух измерений остается сложной задачей», — сказал Шао Иньмин, первый автор статьи из Пенсильванского университета. Он пояснил, что такие материалы обычно представляют собой кристаллы толщиной всего в один атом и могут применяться различными способами, в том числе, в гибкой электронике, аккумуляторах и квантовых технологиях. «Таким образом, реализация, понимание и контроль наноразмерного ограничения имеют решающее значение как для исследования квантовой физики, так и для будущих квантовых технологий», — подчеркнул он.
Команда ученых исследовала возможности квазичастиц экситонов, обладающих уникальными оптическими свойствами. В полупроводниковых материалах они переносят энергию без электрического заряда. Экситоны возникают, когда свет падает на полупроводник, возбуждая электрон перейти на более высокий энергетический уровень. Возбужденный электрон и дырка, которую он оставляет после себя, и называются экситоном. Экситоны возникают гомогенно вдоль типичных трехмерных полупроводников, таких как кремний, пишет сайт университета.
Однако связывающая энергия для экситонов в трехмерных материалах обычно не достаточно велика, чтобы быть стабильной и легко наблюдаемой. Стабильнее всего экситоны проявляют свои качества только в двухмерных монослоях. К тому же, чтобы сохранить полезные свойства экситонов в 3D, нужно изготовить огромное количество двухмерных графеновых слоев — процесс простой, но трудоемкий.
Для того чтобы обойтись без него, ученые обратились к магнетизму, в частности к бромистого сульфида хрома, многослойному магнитному полупроводнику. При комнатной температуре CrSBr ведет себя как обычный полупроводник, а при температуре ниже -142 градусов Цельсия он превращается в антиферромагнит. В результате для CrSBr это означает, что экситоны находятся в пределах своего слоя, а не прыгают между ними.
«Это эффективный способ создания одного слоя атомного материала без расслаивания и с сохранением четкой границы, — сказал Шао. — Это значит, мы можем добиться того же поведения в трехмерных материалах, которое удерживаемые экситоны проявляют в двухмерных».
Использовав методы оптической спектроскопии, теоретическое моделирование и расчеты, исследователи определили, что это магнитное удержание сохраняется независимо от того, сколько слоев было в системе и какой слой они удерживали, включая поверхностные слои.
