پژوهش‌گران موفق شده‌اند تا پاسخ اپتیکیِ مواد نازک اتمی را در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه کنترل کنند. یافته‌های این پژوهش که توسط گروهی از محققان از دانشگاه‌های کلمبیا و استانفورد انجام شده٬ درک ما را از پدیده‌ی بس‌ذره‌ای در سیستم‌های ابعادِ پائین توسعه می‌دهد. این کار همچنین به توسعه‌ی قطعات فوتونی همچون گسیل‌کننده‌های نوری و لیزرهایی که از فلزات واسطه‌ی دوبعدی نادر ساخته می‌شود کمک می‌کند.

تیمی که توسط تونی هاینز (Tony Heinz) رهبری شده٬ ماده‌ی دوبعدی سلنید تنگستن (WS₂) را مورد مطالعه قرار داده است. این نیم‌رسانا به خانواده‌ی فلزات واسطه‌ی دی‌کالکوژنید (TMDS) تعلق دارد. این مواد فرمول شیمیایی MX₂ دارند که در آن M یک فلز واسطه (همچون Mo یا W) و X یک کالکوژن (همچون S٬ Se یا Te) است.

کالکوژن‌ها از نیم‌رسانای با گاف غیرمستقیم (در حالت حجمی) گرفته تا نیم‌رسانای با گاف مستقیم (با ضخامت تک‌لایه‌ای) متغیرند. این تک‌لایه‌ها به شکل کارآمدی نور را جذب و گسیل می‌کنند و براین اساس می‌توان کاربردهای مختلفی از آن را در قطعات اپتوالکترونیک٬ همانند دیودهای گسیل‌کننده‌ی نوری٬ لیزرها٬ آشکارسازهای نوری و سلول‌های خورشیدی یافت. TMDCها ممکن است به عنوان مدارهای الکترونیکیِ کم‌توان٬ نمایشگرهای قابل انعطاف کم‌هزینه٬ حسگرها و حتی الکترونیک قابل انعطاف که می‌توان آن‌ها را بر روی انواع مختلفی از سطوح پوشش داد٬ مورد استفاده قرار گیرد.

تحریکات نوری قوی

برای جستجوی هرچه‌دقیق‌تر پاسخ اپتیکیِ این مواد بویژه وقتی قویاً با نور تحریک شده‌اند٬ هاینر و همکارانش تک‌لایه‌ها و دولایه‌هایی از WS₂ را در معرض پالس‌های بسیار کوتاه و شدید لیزر قرار داده‌اند که تنها ۲۵۰ فمتوثانیه دوام می‌آورند. آن‌ها به کاوش پاسخ‌ نوری نتیجه‌شده در گستره‌ای از طول‌موج‌ها پرداخته‌اند و این کار را با استفاده از تکنیکی معروف به «طیف‌سنجیِ پمپ-پروب فوق‌سریعِ با طیف تفکیکی» به انجام رسانده‌اند. وقتی یک نمونه٬ پالس لیزری فوق‌سریع را جذب می‌کند٬ چگالی فوق‌العاده بالایی از حاملان بار برانگیخته (الکترون‌ها و حفره‌ها) به داخل ماده تزریق می‌شود (تا حدود یک الکترون بر نانومتر مربع).

الکسی چرنیکف (Alexey Chernikov) از اعضای این تیم پژوهشی می‌گوید: «در این رژیمِ موسوم به پلاسمای الکترون-حفره٬ رفتاری شبیه فلز در این نیم‌رساناها آغاز می‌شود. هرچند نبایستی این مقایسه به معنای واقعی کلمه گرفته شود؛ چون در این مواد هنوز گاف نواری حضور دارد».

زمان گذار

حضور این حاملان٬ سرشتِ حالات برانگیخته‌ی اپتیکی در این مواد را بشدت تغییر می‌دهد. به بیان چرنیکف: «در ماده‌ی برانگیخته نشده وقتی یک فوتون جذب می‌شود٬ یک اکسیتون ایجاد می‌شود (یک جفت مقید الکترون-حفره) که توسط جاذبه‌ی کولنی مابین حاملان باردار مخالف تشکیل می‌شود». وی می‌افزاید: «با این حال در محدوده‌ی چگالی بالای برانگیختگی٬ بارهایی که بواسطه‌ی نور ایجاد شده‌اند به شکل متقابلی اثر پرده‌سازی رو‌هم می‌گذارند و پلاسمایی از الکترون‌ها و حفره‌های آزاد تولید می‌شود. گذار از رژیم اکسیتون‌ها به یکی از حاملان آزاد به گذار موت (Mott transition) معروف است که در فیزیک بس‌ذره‌ای مورد توجه بوده است. درک گذار موت در این مواد برای کاربردهایی شامل چگالی‌های تحریک بالای حاملان بار نیز مهم است.   

رفتار الکترون

چرنیکف می‌گوید: «از نقطه‌نظر بنیادی‌تر آستانه‌ی موتِ گذار از نیم‌رسانا به رفتار شبه‌فلزی که در مطالعه‌ی ما مشخص شده تقریباً حدِ رژیمی را تعیین می‌کند که در آن پدیده‌ی متناسب با ذرات اکسیتونی پایدار مشاهده می‌شود. اکسیتون‌ها (به یُمن انرژی‌های پیوندی قوی‌ و «چرخش اسپینی» خاص و ویژه‌شان) توجه زیادی را در زمینه‌ی پژوهشی ما به خود جلب کرده‌اند. بنابراین تعیین این‌که چه زمانی این ذرات وجود دارند و چه زمانی ناپایدار و یونیزه هستند اهمیت دارد».

این تیمِ کلمبیا-استانفوردی اکنون تلاش دارد تا درک بهتری از چگونگی رفتار الکترون‌های اندرکنشی در این مواد بدست آورد. به گفته‌‌ی هاینز: «ما این کار را با تصویرسازی دیاگرام «فاز-فضا» برای حالات الکترونی بس‌ذره‌ای در فیلم‌های دوبعدی (همچون WS2) و با فهم چگونگی دست‌کاری کارآمد آن‌ها انجام خواهیم داد.»

این پژوهش در مجله‌ی فوتونیک نیچر به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

بل دامی (Belle Dumé) کمک‌ویراستار nanotechweb.org است.

منبع:

Thin semiconductors go through the Mott transition