・超薄膜材料である二セレン化モリブデン（MoSe2）の反射率は、印加電圧で調整できる。
・MoSe2は、特定の波長の光に対して高い反射率を示す。
・電子密度を調整することで反射率を変えることができる。
・光システムや光電子システムにおける再構成可能な機器に使用可能。
2つの独立した研究チーム（ハーバード大学とスイス連邦工科大学チューリッヒ校）が、反射率を電子的に制御できる新しいタイプのミラーを作るための有望な材料を発見しました。このミラーは、電気を使って光信号を生成・伝送する光電子回路に基づいています。
両チームは、二セレン化モリブデン（MoSe2）の原子サイズの薄板の反射率をレーザービームで測定しました。この超薄型材料の反射率は、印加電圧で調整することができます。
この工学的な偉業は、物理的な宇宙で構築可能なものの限界を広げるものです。研究者たちは、この種の薄いミラーは、レーザーを利用してデータを伝送する小型の特殊なセンサーやコンピュータ・チップにおいて、非常に重要な役割を果たす可能性があると述べています。
MoSe2
二セレン化モリブデンは、特定の波長の光に対して高い反射率を示します。これは、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）ファミリーの一員です。MoSe2の層状構造とSe【セレン】の電気伝導性は、ナトリウムイオン電池や広く使用されているリチウムイオン電池のような電気化学的エネルギー貯蔵システムにおいて、対イオンをホストする適切な機会を提供します。
エッジおよび変化した基底面にある不飽和Se原子は、水素発生反応やリチウム-酸素電池のような同様の反応に対して高い電極触媒活性を示します。さらに、二セレン化モリブデンはバンドギャップ【結晶のバンド構造において電子が存在できない領域全般】が調整可能であるため、光電気化学太陽電池や光触媒の有望な候補となります。
準粒子
上述のように、二セレン化モリブデンは特定の光の周波数に対して高い反射率を示します。この「共振」周波数の光は、電子を正孔と密接に結合させ、励起子として知られる準粒子を生成します。この準粒子は、光を前方にも後方にも再放射させます。逆方向の光は入射光と建設的に干渉し、反射率を高めます。
励起子とは何か？
写真を原子にぶつけると、電子が低いエネルギー軌道から高いエネルギー軌道にジャンプする可能性が高くなります。そうなると、電子の場に電子ホールが形成されます。そして、今回取り上げている二セレン化モリブデンという材料は、特定の光周波数でぶつけると、特にこのような挙動を示す可能性が高いのです。
電子は負の電荷を持ち、原子核の陽子は正の電荷を持ちます。そのため、電子ホールは原子核の陽子の正の電荷の一部を取り込みます。このため正孔は、実際には粒子がないにもかかわらず、わずかに粒子のように振る舞います。
近傍の電子はこの偽粒子を引き寄せ、特定の条件下で電子と対になり、エキシトンと名付けられた珍しい量子物体を作り出します。これらの励起子は、入射光を建設的に干渉させ、自ら発光することができるのです。
反射率の測定
光をより効果的に反射させるため、科学者たちは六方晶窒化ホウ素の2つの層の間に二セレン化モリブデンを配置しました。さらに、このスタック【堆積】を別の層に取り付けました。スイス連邦工科大学の研究グループは、溶融シリカを選択し、41％の反射率を達成しました。一方、ハーバード大学の研究チームはシリコンを選択し、最高85％の反射率を達成しました。
材料の反射率は励起子の数に基づいているため、材料の電子密度を調整することで変えることができます。その最良の方法は、二セレン化モリブデンと基板に電圧をかけることです。これにより、電圧の極性に応じて電子密度が増減するのです。
この研究では、印加電圧のオフ・オンを切り替えることで、反射率が2以上変化することが示されました。
応用
MoSe2の強力な光学応答は、フォトニクス【光の性質を応用する装置・技術についての工学の一分野】に新たな道を開きます。強力な光学応答と軽量の質量の組み合わせは、MoSe2の浮遊単分子層が光学機械的質量力センサーの性能に革命をもたらす可能性を示唆しています。
印加された電場を利用して、短い時間スケールとサブ波長の長さスケールで反射を変更する可能性は、デジタルミラー機器の新しい道を開く可能性があります。準粒子ポーラロンの谷の自由度は、MoSe2層の隣に強磁性単分子層を導入することにより、キラルデバイスを実現するのに利用できるはずです。
これは、アクティブキャビティ、変調器、メタサーフェスなど、光学および光電子システムにおける再構成可能な機器に使用できる可能性があります。高速で、本質的で、強く、設計された非線形性により、従来の情報処理や量子情報処理への応用が期待される光電子機器を実現するための優れた候補となるでしょう。
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