Avances en los excitones de interfaz a partir de materiales de dimensiones mixtas

El estudio de materiales a una escala muy pequeña ha llevado a descubrimientos emocionantes, especialmente con un grupo de materiales conocidos como Materiales de Van Der Waals (vdW). Estos incluyen capas delgadas como el grafeno y los diseleniuros de metales de transición (TMDs). Al apilar estos materiales, los científicos pueden crear nuevas estructuras que muestran propiedades únicas que no se encuentran en las capas individuales.

Una de estas estructuras implica mezclar materiales bidimensionales (2D), como el diseleniuro de tungsteno (WSe₂), con materiales unidimensionales (1D), como los Nanotubos de carbono (CNTs). Esta combinación crea nuevos tipos de excitones, que son pares de electrones y huecos que pueden formarse cuando la luz interactúa con estos materiales. Las interacciones en las interfaces de estas diferentes dimensiones pueden dar lugar a propiedades ópticas interesantes.

#Contexto de los Materiales de van der Waals

Los materiales de van der Waals han abierto la puerta a formas innovadoras de crear estructuras artificiales. A diferencia de los materiales tradicionales, estos se pueden apilar sin necesidad de coincidir en tamaños o formas. Esta flexibilidad permite a los científicos mezclar materiales de nuevas maneras, resultando en propiedades que son distintas de las de los componentes por separado.

Por ejemplo, el grafeno en bilayer torcido puede mostrar comportamientos inusuales como estados de aislamiento y superconductividad. De manera similar, apilar dos TMDs puede resultar en excitones intercapas, donde el electrón y el hueco están separados en diferentes capas. Estos excitones intercapas tienen características distintas, incluyendo vidas más largas y mayores longitudes de difusión, en comparación con los excitones encontrados en materiales tradicionales de una sola capa.

La mayoría de las heteroestructuras vdW existentes involucran materiales 2D que tienen propiedades similares. Sin embargo, al incorporar materiales de menor dimensión como los CNTs, los investigadores pueden crear nuevos estados de excitón que emergen debido a las diferencias en dimensionalidad. Los CNTs, al ser unidimensionales, ofrecen nuevas oportunidades para descubrir comportamientos únicos de excitones.

#El Estudio de las Heteroestructuras

Hallazgos recientes reportan la observación de nuevos picos excitónicos dentro de una heteroestructura CNT/WSe₂ a temperatura ambiente. Estos picos aparecen en la interfaz entre los CNTs y WSe₂ y tienen energías que caen por debajo de las de los estados excitónicos primarios del CNT. Las características de estos picos están relacionadas con la quiralidad de los CNTs y el número de capas de WSe₂ presentes.

Al examinar la Alineación de bandas-cómo se ajustan los niveles de energía de los diferentes materiales-estos nuevos picos se pueden atribuir a excitones de interfaz. Las propiedades distintas de estos excitones se pueden ver a través de su emisión brillante a temperatura ambiente, lo que indica que son estables y están fuertemente confinados.

#Mediciones Ópticas y Hallazgos

En este estudio, los científicos usaron espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) para observar excitones. Las mediciones de PL revelan la interacción entre los CNTs y WSe₂. Antes de la transferencia de la capa de WSe₂, los CNTs exhibieron un pico excitónico específico. Una vez que se colocó el WSe₂ sobre los CNTs, el pico se desplazó y emergieron nuevos picos, sugiriendo la presencia de estados excitónicos adicionales en la interfaz.

Al ajustar la energía de excitación, los investigadores pudieron ver los cambios en el espectro de PL. Después de un período de estabilización, aparecieron dos picos principales, que fueron identificados como excitones de interfaz. Las características de estos picos, incluyendo su respuesta a diferentes potencias de excitación, indicaron que eran realmente distintos de los excitones primarios de los CNTs.

#Alineación de Bandas y Sus Efectos

Las propiedades de los excitones de interfaz dependen en gran medida de la alineación de bandas entre los CNTs y el WSe₂. Los investigadores variaron sistemáticamente la quiralidad de los CNTs y el número de capas de WSe₂ para ver cómo estos cambios afectaban los picos excitónicos.

Una mayor quiralidad en los CNTs corresponde a mayores brechas de banda, lo que favorece la alineación tipo-II. Este tipo de alineación es esencial para la aparición de los excitones de interfaz. A medida que la brecha de banda disminuía, el número de picos excitónicos observables también disminuía, sugiriendo una transición de la alineación de tipo-II a tipo-I.

Para WSe₂, el número de capas también juega un papel, pero no tan significativo como la quiralidad de los CNT. En un experimento, un WSe₂ de tres capas mostró excitones de interfaz observables, mientras que una capa simple no lo hizo. Los cambios en el número de capas pueden afectar sutilmente los estados excitónicos, pero no fueron tan pronunciados como los efectos observados con variaciones en la quiralidad de los CNTs.

#Propiedades Ópticas de los Excitones de Interfaz

Los excitones de interfaz mostraron características notables distintas de las de los excitones primarios en los CNTs. Una observación clave fue el alto grado de polarización lineal en su emisión, lo que indica un fuerte confinamiento al canal 1D de los CNTs.

Se realizaron mediciones de PL resolutivas en el tiempo para estudiar las vidas de los excitones. A diferencia de la rápida descomposición de los excitones primarios en los CNTs, los excitones de interfaz exhibieron vidas más largas, coherentes con su naturaleza indirecta espacialmente. Además, la intensidad de los excitones de interfaz fue significativamente brillante incluso a bajas potencias de excitación, un resultado sorprendente para mediciones a temperatura ambiente.

La intensidad de emisión mostró una tendencia única en respuesta a los cambios en la potencia de excitación. Los excitones de interfaz alcanzaron la saturación a niveles de potencia más bajos en comparación con los excitones E₁₁. Este comportamiento sugiere que los excitones de interfaz exhiben una mayor localización, lo que potencialmente les permite servir como fuentes eficientes de un solo fotón.

#Emisión de Fotones Únicos a Temperatura Ambiente

Para confirmar la naturaleza cuántica de estos excitones de interfaz, se realizaron mediciones de correlación de fotones. Los resultados mostraron un comportamiento de antibunching distintivo, indicando emisión de fotones únicos a temperatura ambiente. Este comportamiento es particularmente significativo ya que resalta el potencial de usar estos excitones en tecnologías cuánticas.

Las estadísticas de correlación de segundo orden medidas confirmaron la presencia de emisión de fotones únicos de los excitones de interfaz. En contraste, los excitones primarios en los CNTs no mostraron un comportamiento similar, reafirmando las características únicas de los excitones de interfaz.

#Posibles Orígenes de los Excitones de Interfaz

El ambiente local de los excitones de interfaz puede contribuir a sus propiedades. Los investigadores especularon que los defectos dentro del WSe₂ podrían crear un pozo potencial, atrapando los excitones de interfaz. Aunque los defectos suelen ser indeseables, podrían jugar un papel en estabilizar los excitones en esta estructura de dimensiones mixtas.

Además, la tensión en los materiales también puede afectar la localización del excitón. Las variaciones en la tensión pueden influir en las propiedades electrónicas de los materiales, lo que podría mejorar el confinamiento de los excitones, haciéndolos más estables y menos propensos a descomponerse.

#Conclusión

El descubrimiento de excitones de interfaz a temperatura ambiente en heteroestructuras de dimensiones mixtas trae nuevas posibilidades para aplicaciones en optoelectrónica y computación cuántica. Al manipular las propiedades de los materiales a través de la selección cuidadosa de tipos y arreglos de capas, los investigadores pueden diseñar sistemas que podrían conducir a avances significativos en tecnología.

Los excitones de interfaz muestran potencial como emisores cuánticos a temperatura ambiente, operando dentro de la banda de telecomunicaciones, lo que aumenta su potencial para aplicaciones prácticas en comunicación y procesamiento de información. A medida que la investigación en esta área continúa, las posibilidades de utilizar materiales de dimensiones mixtas en tecnologías futuras parecen infinitas.