Valleytronics in Molybdänsulfid

Ein inter­nationales Team um Forschende vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts entwickelte eine neue Methode, mit der erstmalig die Talpolarisation in zentro­symmetrischen Materialien auf eine nicht material­spezifische Weise erreicht wird. Diese Technik kann wichtige Anwendungen im Zusammenhang mit der Kontrolle und Analyse verschiedener Eigenschaften von 2D- und 3D-Materialien haben, was die Weiter­entwicklung von Spitzenbereichen wie Informations­verarbeitung und Quantencomputing ermöglichen kann. Das Projekt wurde durch das ICFO – The Institute of Photonic Sciences mit dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, dem Max-Born-Institut und dem Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid realisiert.

In der Standard-Halbleiter­elektronik ist die elektrische Ladung der Elektronen die am häufigsten genutzte Eigenschaft, die zur Codierung und Manipulation von Informationen genutzt wird. Alternativ könnten auch Effekte in der Bandstruktur genutzt werden. In den letzten zehn Jahren bestand das Hauptziel dieses Ansatzes der „Valley­tronics“ darin, die Kontrolle über die Talpolarisation in Materialien zu erreichen. Eine solche Errungen­schaft könnte zur Schaffung von klassischen und Quanten­gattern und -bits verwendet werden. 

Doch frühere Versuche hatten mehrere Nachteile. So musste das Licht, das zur Manipulation und Änderung der Talpolarisation verwendet wurde, resonant sein. Jede kleine Abweichung verringerte die Effizienz der Methode, so dass eine Generali­sierung des vorgesehenen Mechanismus unerreichbar schien, vorausgesetzt, jedes Material hat seine eigene Bandlücke. Darüber hinaus wurde dieses Verfahren nur für 2D-Materialien angewandt. Diese Voraus­setzung erschwerte die praktische Umsetzung, da Monoschichten in der Regel nur eine begrenzte Größe und Qualität haben und schwer herzustellen sind. 

Jetzt haben die ICFO-Forscher Igor Tyulnev, Julita Poborska und Lenard Vamos unter der Leitung von Jens Biegert vom ICREA in Zusammenarbeit mit P. St. J. Russell und Francesco Tani des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts, Forschern des Max-Born-Instituts und des Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid eine neue universelle Methode zur Erzeugung von Talpolarisation in zentro­symmetrischen Materialien gefunden. Die Entdeckung eröffnet die Möglichkeit, die Tal­polarisation zu kontrollieren und zu manipulieren, ohne durch das gewählte Material eingeschränkt zu sein. Gleichzeitig kann die Methode für eine detailliertere Charak­terisierung von Kristallen und 2D-Materialien verwendet werden.

Zunächst wollten die Forschenden die Tal­polarisation mit ihrer Methode in 2D-Materialien erzeugen. Zur Vorbereitung des Experiments wurde die erste Messung an Molybdänsulfid aus vielen übereinander gestapelten Mono­schichten durchgeführt, mit dem überraschenden Ergebnis, dass sie die Signatur der Tal­polarisation sahen. „Als wir mit der Arbeit an diesem Projekt begannen, wurde uns von unseren Theoretikern gesagt, dass der Nachweis von Tal­polarisation in „bulk materials“ ziemlich unmöglich sei", erklärt Julita Poborska. Das Theoretiker­team bemerkte auch, dass ihr Modell anfangs nur für einzelne 2D-Schichten geeignet war. 

„Auf den ersten Blick schien es so, als ob das Hinzufügen weiterer Schichten die Auswahl bestimmter Täler in der Probe behindern würde. Aber nach den ersten experi­mentellen Ergebnissen passten wir die Simulation an, und sie bestätigte die Beobachtungen erstaunlich gut. Wir haben nicht einmal versucht, irgendetwas anzupassen. Es hat sich einfach so ergeben“, sagt Misha Ivanov. Am Ende „stellte sich heraus, dass man tatsächlich „bulk materials“, die zentral symmetrisch sind, aufgrund der Symmetriebedingungen talpolarisieren kann“, so Poborska. Wie Igor Tyulnev erklärt, „bestand unser Experiment darin, einen intensiven Lichtpuls mit einer Polari­sation zu erzeugen, die zu dieser inneren Struktur passte. Das Ergebnis war das so genannte „Trefoil-Feld“ (Kleeblatt-Feld), dessen Symmetrie mit den dreieckigen Untergittern übereinstimmt, die die hexa­gonalen Materialien der Heteroatome bilden.“

„Dieses symmetrieangepasste starke Feld bricht die Raum- und Zeitsymmetrie innerhalb des Materials, und, was noch wichtiger ist, die resultierende Konfiguration hängt von der Ausrichtung des Trefoil-Feldes in Bezug auf das Material ab. Durch einfache Drehung des einfallenden Lichtfelds konnten wir die Talpolari­sation modulieren“, so Tyulnev weiter. Dies ist eine wichtige Errungenschaft auf diesem Gebiet und eine Bestätigung für eine neuartige universelle Technik, mit der die Elektronentäler in Bulk-Materialien kontrolliert und manipuliert werden können. Russell und Tani stellten die Plattform – eine Hohlkern-Kristall­faser –  für die Realisierung des Trefoil-Feldes zur Verfügung. „Die Realisierung eines Trefoil-Feldes kann ziemlich schwierig sein, aber gute Ideen und Hohlkern­fasern machen alles einfacher“, sagt Tani.

Das Experiment lässt sich in drei Hauptschritten erklären: Die Synthese des Trefoil-Feldes, seine Charak­terisierung und schließlich die eigentliche Erzeugung der Talpolarisation. Die Forschenden betonen die unglaublich hohe Präzision, die der Charakterisierungs­prozess erforderte, da das Trefoil-Feld nicht nur aus einem, sondern aus zwei kohärent kombinierten optischen Feldern besteht. Eines davon musste in eine Richtung zirkular, das andere entgegengesetzt dazu polarisiert sein. Sie überlagerten diese Felder, so dass die Gesamt­polarisation in der Zeit die gewünschte Kleeblattform ergab.

Drei Jahre nach den ersten experi­mentellen Versuchen ist Igor Tyulnev begeistert. Die neue universelle Methode ist, wie er sagt, „nicht nur zur Kontrolle der Eigenschaften einer Vielzahl chemischer Spezies, sondern kann auch zur Charak­terisierung von Kristallen und 2D-Materialien verwendet werden.“ Jens Biegert ergänzt: „Unsere Methode kann einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung energie­effizienter Materialien für eine effiziente Informations­speicherung und schnelle Schaltvorgänge leisten. Dies entspricht dem dringenden Bedarf an Geräten mit niedrigem Energie­verbrauch und erhöhter Rechen­geschwindigkeit.“

MPL / JOL