Transport of indirect excitons and exciton mediated spin transport in a van der Waals heterostructure in magnetic fields
Cette étude démontre que les excitons indirects et leur transport de spin médié dans une hétérostructure de van der Waals MoSe/WSe présentent une propagation à longue distance allant jusqu'à ~100 micromètres sous des champs magnétiques allant jusqu'à 8 T, avec des distances de décroissance qui sont corrélées entre les deux phénomènes et varient de manière non monotone avec la densité d'excitons.
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Dans le monde microscopique de l'électronique moderne, les scientifiques cherchent constamment des moyens de déplacer l'information sans générer de chaleur ou gaspiller de l'énergie. Une voie prometteuse implique de minuscules paquets de lumière et de matière appelés excitons. Imaginez un exciton comme une paire de particules, un électron et un trou, qui sont attirés l'un vers l'autre comme les extrémités opposées d'un aimant. Habituellement, ils restent proches l'un de l'autre, mais dans un type spécial de matériau stratifié, les chercheurs peuvent les séparer dans différentes couches. Cette séparation crée une particule à longue durée de vie qui peut voyager beaucoup plus loin que ses homologues ordinaires avant de disparaître. Parce que ces particules transportent une propriété appelée spin, qui se rapporte à leur orientation magnétique, elles offrent un moyen potentiel de transporter l'information sur de longues distances sans que le signal ne s'atténue. Comprendre comment ces particules se déplacent, en particulier lorsqu'elles sont influencées par de puissantes forces magnétiques, est crucial pour développer les technologies futures qui pourraient traiter les données plus efficacement.
Une équipe de physiciens de l'Université de Californie à San Diego a récemment étudié comment ces particules séparées se comportent lorsqu'elles sont soumises à des champs magnétiques intenses. Ils ont travaillé avec une structure semblable à un sandwich composée de deux matériaux d'une épaisseur d'atome, le diséléniure de molibdène et le diséléniure de tungstène, empilés l'un sur l'autre. En projetant un laser sur cette structure, ils ont créé un flux de ces particules à longue durée de vie et ont observé comment elles se propageaient. Les chercheurs ont appliqué des champs magnétiques aussi puissants que huit tesla pour voir si cette force invisible altérerait le voyage des particules. Ce qu'ils ont découvert, c'est que ces particules pouvaient voyager remarquablement loin, couvrant des distances allant jusqu'à cent micromètres, ce qui correspond environ à la largeur d'un cheveu humain. Plus surprenant encore, les particules ont maintenu leur orientation de spin sur ces mêmes longues distances, ce qui signifie qu'elles pouvaient transporter l'information magnétique sans la perdre dans l'environnement.
Le comportement de ces particules n'était pas une simple ligne droite. À mesure que les chercheurs augmentaient le nombre de particules créées par le laser, la distance parcourue devenait d'abord plus longue, puis plus courte à nouveau. Ce schéma restait vrai que le champ magnétique soit présent ou absent. Les scientifiques ont observé que la distance parcourue par l'information de spin était directement liée à la distance parcourue par les particules elles-mêmes. Lorsque les particules voyageaient plus loin, l'information de spin voyageait tout aussi loin. Ce lien étroit suggère que la capacité de transporter l'information dépend entièrement de la stabilité et du mouvement des particules qui la portent. L'équipe a noté que ce mouvement à longue portée était cohérent avec les théories sur la façon dont les particules se comportent dans un paysage répétitif et en forme de grille créé par le décalage entre les deux couches atomiques, un phénomène connu sous le nom de motif de moiré.
L'étude a également mis en évidence une différence clé entre ce nouveau matériau et les anciens matériaux semi-conducteurs utilisés dans des expériences précédentes. Dans ces anciens matériaux, des champs magnétiques forts rendaient généralement les particules plus lourdes et les ralentissaient, réduisant considérablement la distance qu'elles pouvaient parcourir. Cependant, dans cet empilement de couches d'épaisseur atomique, les champs magnétiques n'ont pas supprimé le mouvement. Les particules ont continué à voyager sur de longues distances même sous l'influence de la force magnétique intense. Cette résilience est probablement due au fait que les particules de ce matériau sont liées beaucoup plus étroitement que dans les anciens matériaux, ce qui les rend moins sensibles aux forces magnétiques qui perturbent habituellement leur mouvement. Les chercheurs ont conclu que ces découvertes confirment qu'un transport à longue distance à la fois des particules et de leur information de spin est possible dans ces matériaux, même lorsqu'ils sont soumis à des champs magnétiques importants, ouvrant ainsi la voie à une exploration plus approfondie de la manière dont ces systèmes pourraient être utilisés dans de futurs dispositifs.
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