في عالم الإلكترونيات، يتم استخدام شحنة الإلكترونات لمعالجة المعلومات. أما في مجال السبنترونيكس، فنحن نستفيد من سبين الإلكترونات لنقل المعلومات. ومع ذلك، فإن الفاليتروكس يقدم بُعدًا جديدًا من خلال استخدام بنية البلورات الفريدة للمواد لترميز المعلومات في حالات زخم مميزة للإلكترونات، المعروفة باسم الوديان.
تعريف الإكسيتونات الساطعة والداكنة
خلال العقد الماضي، تم إحراز تقدم في تطوير فئة من المواد شبه الموصلة الرقيقة جدًا والمعروفة باسم ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية (TMDs). هذه المواد تتميز بترتيب ذراتها في شبكة بلورية تمنع الإلكترونات في مستوى طاقة محدد، مثل شريط التكافؤ. عندما تتعرض للضوء، تتحفز الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى، وهو شريط التوصيل، مما يترك وراءها فجوة موجبة الشحنة في شريط التكافؤ. هذه الإلكترونات والفجوات ترتبط بفعل الجذب الكهروستاتيكي لتشكل أشباه جسيمات هيدروجينية تعرف بالإكسيتونات.
إذا كانت الخصائص الكمية للإلكترون والفجوة متطابقة، فإنهما يعيدان الاتحاد في خلال بيكوثانية واحدة، مما ينتج ضوءًا في هذه العملية. تُعرف هذه بالإكسيتونات الساطعة. ولكن إذا لم تتطابق الخصائص الكمية، فإن الإلكترون والفجوة لا يعيدان الاتحاد من تلقاء أنفسهم ولا ينبعث الضوء، وتُعرف هذه بالإكسيتونات الداكنة.
الإكسيتونات الداكنة كمرشحة لتقنيات الكم
الإكسيتونات الداكنة هي بطبيعتها أكثر مقاومة للعوامل البيئية مثل الخلفية الحرارية مقارنة بالجيل الحالي من الكيوبتات، مما يتطلب تبريدًا أقل تطرفًا ويجعلها أقل عرضة لفقدان التماسك، حيث تنهار الحالة الكمية الفريدة. القدرة على استخدام بُعد الوادي للإكسيتونات الداكنة لنقل المعلومات تضعها كمرشحة واعدة لتقنيات الكم.
دور الإكسيتونات الداكنة في الفاليتروكس
التماثل الذري الفريد لـ TMDs يعني أنه عند تعرضها للضوء المستقطب دائريًا، يمكن إنشاء إكسيتونات ساطعة في وادٍ محدد. هذا هو المبدأ الأساسي لعلم الفاليتروكس. ولكن الإكسيتونات الساطعة تتحول بسرعة إلى عدد كبير من الإكسيتونات الداكنة التي يمكن أن تحتفظ بالمعلومات المتعلقة بالوادي.
رصد الإلكترونات على مقياس الفيمتوثانية
باستخدام نظام TR-ARPES الرائد عالميًا في OIST، الذي يتضمن مصدر XUV مملوكًا ومحمولًا، تمكن الفريق من تتبع خصائص جميع الإكسيتونات بعد إنشاء الإكسيتونات الساطعة في وادٍ محدد في شبه موصل TMD بمرور الوقت عن طريق قياس الزخم، وحالة السبين، ومستويات السكان للإلكترونات والفجوات بشكل متزامن.
وجدت النتائج أنه في غضون بيكوثانية واحدة، يتم تشتيت بعض الإكسيتونات الساطعة بواسطة الفونونات إلى وديان زخم مختلفة، مما يجعلها داكنة الزخم. لاحقًا، تسود الإكسيتونات الداكنة السبين، حيث تنقلب السبينات داخل نفس الوادي، مما يستمر على مقاييس النانوثانية.
الخاتمة
بفضل نظام TR-ARPES المتطور في OIST، تمكن الفريق من الوصول مباشرة إلى كيفية وكيفية احتفاظ الإكسيتونات الداكنة بمعلومات الوادي طويلة الأمد. التطورات المستقبلية لقراءة خصائص وادي الإكسيتونات الداكنة ستفتح تطبيقات واسعة في مجال الفاليتروكس الداكن عبر أنظمة المعلومات.