Tým vědců, včetně Dr. Artura Slobodeniuka, který provedl teoretické výpočty, a pod vedením Dr. Martina Kozáka z Katedry chemické fyziky a optiky, publikoval v časopise npj 2D Materials and Applications průlomovou práci o manipulaci s excitony v monovrstvách WSe2 a MoS2. Práce ukazuje, že údolní degenerace energií excitonů v monovrstvách dichalkogenidů přechodných kovů může být zrušena koherentními optickými interakcemi, které vyvolávají údolně-selektivní modré posuvy kvantových hladin excitonů. Tyto poznatky otevírají dveře ultrarychlé valleytronice pracující na terahertzových frekvencích.
Excitony jsou kvazičástice, které se skládají z elektronu a díry spojených dohromady Coulombovou interakcí. V některých polovodičích mohou mít elektrony/díry stejné energie, ale různé hybnosti. V tomto případě říkáme, že takové kvazičástice patří do různých údolí. Podle kvantových zákonů by vázané páry elektron-díra z různých údolí měly mít stejnou energii, tj. excitonové stavy v různých údolích se stávají degenerovanými. Dichalkogenidové monovrstvy přechodných kovů mají dvě neekvivalentní údolí, a proto jsou excitony v takových systémech dvojnásobně degenerované. Proto lze takový excitonový dubletový stav považovat za dvouhladinový systém nebo qubit. Manipulace s energiemi tohoto dvouhladinového systému je důležitým prvkem v potenciálních optoelektronických aplikacích studovaných materiálů.
Práce představuje významný pokrok v oblasti manipulace s excitony. Naše zjištění poskytují možnou cestu pro vývoj nových a vylepšených optoelektronických zařízení.
Ve studii naši vědci použili ultrarychlé laserové pulzy k manipulaci s energiemi excitonů v monovrstvách dichalkogenidů přechodných kovů. Použitím silného nerezonančního kruhově polarizovaného světla vyvolali odděleně energetické posuny excitonů v jednom (tzv. Starkův posuv) a v opačném (tzv. Bloch-Siegertův posuv) údolí. Tato selektivní manipulace s energií excitonu má významné důsledky pro vývoj ultrarychlé valleytroniky, která může pracovat na velmi vysokých frekvencích a mohla by vést k novým typům elektronických zařízení se zvýšenou rychlostí a účinností.
Přístup výzkumníků je obzvláště slibný, protože se nespoléhají na použití drahých a těžkopádných nástrojů k vytváření a manipulaci údolních stupňů volnosti excitonů v monovrstvách dichalkogenidů přechodných kovů. Místo toho používají škálovatelná kompaktní laserová zařízení. Očekává se, že tento výzkum podnítí další výzkum vlastností a chování excitonů v jiných 2D materiálech, což povede k novým průlomům v oblasti optoelektroniky.
