Схематические иллюстрации динамики экситонов в двумерных материалах установки STM с временным разрешением (TR-STM) для измерения динамики несущей в TMDC. b Структура полосы, показывающая механизм обнаружения экситонов с помощью СТМ. Направление изгиба полосы зависит от напряжения смещения, приложенного между иглой СТМ и образцом. c Схематическая структура разработанной нами многозондовой СТМ-системы с временным разрешением. Светоделитель BS, поляризованный светоделитель PBS, оптический параметрический генератор OPO, вращатель Фарадея FR, элемент электрооптической модуляции EOM (подробности см. На дополнительном рис. 1). Предоставлено : 2D-материалы и приложения npj (2022 г.). DOI: 10.1038/s41699-022-00345-1

Будущая оптическая связь, которая будет намного более надежной и быстрой, чем общедоступная сегодня, потребует новых технологий. Современная связь основана на переносе заряда, что может привести к большим потерям при передаче в некоторых приложениях, интенсивно использующих данные. Альтернативой являются экситоны, но они сталкиваются с техническими трудностями при широком внедрении.

Теперь исследователи из Японии преодолели критическое узкое место, которое может привести к созданию технологии сверхбыстрой оптической связи на основе экситонов. Их результаты опубликованы в npj 2D Materials and Applications.

Исследователи в восторге от использования экситонов — ансамблей связанных электронов и дырок — для оптической связи со скоростью терабит в секунду. К сожалению, быстрая диссоциация экситона при комнатной температуре в обычных трехмерных полупроводниках препятствует немедленному практическому применению. Однако атомарно тонкослоистые двумерные материалы (дихалькогениды переходных металлов, ТМДК) обладают определенными преимуществами.

Например, в TMDC экситоны могут быть стабильными при комнатной температуре и могут перемещаться на большие расстояния. Локальные сверхмалые дефекты неизбежны в ТМДП, но они могут быть даже полезными, если исследователи смогут понять роль таких дефектов в динамике экситонного транспорта и, следовательно, свойствах устройств на основе ТМДП.

Понимание наномасштабной динамики экситонов в ТМДП поможет ответить на эти вопросы. «Обычно используемые технологии имеют недостаточное разрешение, — объясняет профессор Хироюки Моги, ведущий автор, — но наш подход к сканирующей туннельной микроскопии меняет это несколько нанометров».

Исследователи сосредоточились на том, как наноструктуры, такие как границы зерен и рябь, в ТМДП модулируют динамику экситонов. Изюминкой исследования является то, что границы зерен соответствовали усиленной рекомбинации экситонов в пределах ~ 8 нанометров. Еще одним важным моментом является то, что рябь соответствует уменьшению энергии связи экситона, а меньшая рябь соответствует более длительному времени жизни экситона, чем более крупная рябь. Эти результаты подтверждают теоретические предсказания, которые предыдущие исследователи не смогли экспериментально проверить.

«Пространственное разрешение нашей технологии в 2,5 нанометра является новаторским», — говорит профессор Хидэми Шигекава, старший автор. «При таком разрешении мы подтвердили, что в области диселенида вольфрама скорость аннигиляции экситон-экситон составляет 0,10 ± 0,02 квадратных сантиметра в секунду и модулируется локальными наноструктурами».

Основываясь на описанном здесь исследовании, экситоны станут важным инструментом для устранения многих существующих барьеров для удаленной связи. Ожидается, что в будущем это расширит реальные приложения передовой оптической связи, такие как беспрепятственный обмен деловыми и финансовыми данными, который ускоряет операции, более быстрые поисково-спасательные операции на основе искусственного интеллекта обработки изображений данных с бортовых дронов. и более безопасные беспилотные автомобили.