Физики обнаружили в двумерном дисульфиде вольфрама хиральные фононы — периодические колебания решетки, при которых атомы селена согласованно вращаются, а атомы вольфрама остаются неподвижными. С помощью таких фононов можно управлять транспортом электронов, что в частности, перспективно для волитроники, пишут ученые в статье в Science.

Одна из возможных областей использования двумерных полупроводниковых материалов — волитроника (valleytronics), направление, в котором для хранения и передачи информации используются свойства электронов, находящихся в долинах (областях минимумов разрешенной энергии в зонах проводимости). Если у материала в зоне проводимости две долины, то информацию о том, в какой из долин в данный момент находится электрон, можно использовать для кодирования информации.

Для управления переносом электронов из одной долины двумерного полупроводника в другую можно использовать фононы — колебания кристаллической решетки, однако пока особенности взаимодействия фононов с электронами в двумерных полупроводниках изучены довольно мало. Поэтому методы управления транспортом электронов практически не разработаны, и ученые ищут такие свойства фононов, которые можно для этого использовать.

Hanyu Zhu et al.

Физики из США, Саудовской Аравии и Китая под руководством Юаня Вана (Yuan Wang) и Сяна Чжана (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли обнаружили, что в двумерном четырехслойном диселениде вольфрама существует еще один тип фононов, который можно использовать для управления транспортом электронов — хиральные фононы. При таком типе колебаний атомы селена начинают вращаться по или против часовой стрелки, в то время как атомы вольфрама остаются неподвижными.

Зарегистрировать фононы удалось с помощью поглощению инфракрасного излучения, которое происходит из-за взаимодействия между такими фононами и дырками, и регистрации вызванной поглощением люминесценции. Для определения хиральности таких фононов физики использовали еще один инфракрасный лазер с круговой поляризацией. По круговому дихроизму при поглощении света с помощью него можно определить угловой момент атомов в решетке, из чего рассчитывается и фаза (направление «вращения») фонона.

Справа представлена схема движения атомов селена в кристаллической решетке при хиральных фононов двух типов (черными точками обозначена соответствующая обратная решетка). Справа приведена схема междолинного переноса дырки в валентной зоне в результате взаимодействия с хиральным фононом. По поглощению света и вызванной люминесценции можно определить наличие нужного фонона. Hanyu Zhu et al./ Science, 2018

По словам ученых, возникновение хиральных фононов в двумерных решетках может приводить к образованию особых топологических состояний, электронных фазовых переходов под действием возмущений кристаллической решетки или междолинному рассеянию электронов.

Фононы в двумерных системах можно использовать для исследования необычных топологических состояний. Например, именно с помощью фононов впервые удалось построить двумерную модель квадрупольного топологического изолятора.

Автор: Александр Дубов