يقف هذا العمل في منطقة نائية: لا يكاد يجاوره شيء، وأقرب جار له على مسافة 0.542. وحوله أعمال عن أزواج كوبر وأشباه الموصلات والسيولة الفائقة والتوصيل الحراري. وقد دُرست في هذا الاتجاه بالفعل التبريد الليزري، ومفاتيح الضوء الذرية، والتوصيل الفائق بلا أسلاك، والموجات الشاذة في الذرات الفائقة، والصوت الذي يشحن البطاريات، ورقائق يتعاون فيها الضوء والصوت بلا تشويش. لكن الديناميكا فائقة السرعة للحاملات الساخنة عند الواجهة في ثنائيات الكالكوجينيدات الانتقالية ظلت بقعة بيضاء.
فصل الباحثون ميكانيكيًا رقائق رقيقة من MoS₂ وMoSe₂ على ركيزة SiO₂/Si بسماكة 285 نانومتر. ووضعوا تلامسات Ni/Au لـ MoS₂ وAg لـ MoSe₂ بالتبخير الحراري في الفراغ، للحصول على واجهات أومية بلا حواجز شوتكي. وللقراءة الكهربائية استخدموا أخذ العينات البصروإلكترونية التيراهرتزية على الرقاقة مع مفتاح ضوئي قائم على GaAs المزروع في درجة حرارة منخفضة (LT-GaAs) بسماكة 2 ميكرومتر. وأثار ليزر فمتوثانية بطول موجة 680 نانومتر الحاملات عند الواجهة بين المعدن وأشباه الموصلات، بينما أطلق شعاع اختبار متزامن المفتاح لقياس التيار الضوئي العابر بدقة دون البيكوثانية. وأجروا إضافة إلى ذلك مطيافية الضخ والاستكشاف بالانعكاس التفاضلي لربط الاستجابة الكهربائية بديناميكا الفونونات.
عند انحياز صفري بلغت أزمنة استرخاء التيار الضوئي 48,5 بيكوثانية لـ MoS₂/Au و14,2 بيكوثانية لـ MoSe₂/Ag. وأعطى تحويل فورييه عرضي نطاق داخليين 4,4 غيغاهرتز و7,5 غيغاهرتز على التوالي. وأظهر المسح المكاني أن زمن الاسترخاء يبقى شبه ثابت (~44,6 بيكوثانية) عند تحريك بقعة الضخ بمقدار ±4 ميكرومتر عن الواجهة، مع أن سعة التيار الضوئي تنخفض أسيًا. وكشفت القياسات مع انحياز مطبق عن مكونين: المكون البطيء يعتمد خطيًا على الجهد ويقلب قطبيته، أما المكون السريع فغير حساس للانحياز إطلاقًا. وهذه البيانات تستبعد النقل الانسياقي وتشير إلى الانتشار الفائق للحاملات الساخنة، المتحكم فيه بتدرج درجة حرارة الإلكترونات. وأظهرت المقارنة مع المطيافية الضوئية أن زمن الاستخلاص الكهربائي يطابق كميًا زمن تشتت الفونونات الضوئية إلى صوتية لجميع سماكات MoS₂ (5 و13 و30 نانومتر). وفي MoSe₂، حيث فرق كتل الذرات أصغر، يكون عنق الزجاجة الفونوني أضعف وزمن الاستجابة أقصر.
خلافًا للأعمال المجاورة التي تدرس ظواهر مستقرة أو منخفضة التردد، يفصل هذا العمل للمرة الأولى مباشرة الديناميكا البيكوثانية لاستخلاص الحاملات الساخنة عند الواجهة بين المعدن وأشباه الموصلات في TMDC. وهو يبيّن أن سرعة الجهاز يحددها عمر الفونونات الساخنة لا حركية الحاملات، مما يفتح قناة جديدة للتحكم في الخصائص البصرإلكترونية عبر هندسة الفونونات. وهذا أول تحقق تجريبي من أن عنق الزجاجة الفونوني قادر على دعم الانتشار الفائق على مدى عشرات البيكوثواني.
قد يتطور الموضوع نحو تصميم أطياف فونونية موجّهة: اختيار مواد بفرق الكتل الذرية المطلوب، وإنشاء بنى غير متجانسة بفجوة صوتية-ضوئية قابلة للضبط، واستخدام التشوهات أو التشويب لتغيير التفكك اللاتوافقي للفونونات. ومن الممكن دراسة مواد طبقية قطبية أخرى وواجهات مع معادن مختلفة لتحسين زمن الاستجابة. كما يبدو واعدًا دراسة تأثير درجة الحرارة والتغليف على ديناميكا الفونونات.
ستؤثر النتائج على تطوير كواشف ضوئية فائقة السرعة ذاتية التغذية، ووصلات بصرية، ورقائق بصرإلكترونية مدمجة قائمة على المواد ثنائية الأبعاد. وهي مهمة أيضًا للفيزياء الأساسية للعمليات غير المتوازنة في الأنظمة منخفضة الأبعاد.
تشمل الخطوات التالية دراسة منهجية لثنائيات كالكوجينيدات وتلامسات معدنية أخرى، وقياس الأطياف الفونونية بواسطة التشتت غير المرن للتحقق المباشر من التنبؤات. ويُخطط أيضًا لدراسة تأثير التغليف ودرجة الحرارة على عنق الزجاجة الفونوني.
يرتبط العمل بمشكلة غير محلولة هي تحديد سرعة الأجهزة البصرإلكترونية بسبب انخفاض حركية الحاملات عند درجة حرارة الغرفة. وهو يبيّن أن هذا الحد يمكن تجاوزه باستخدام النقل غير المتوازن للحاملات الساخنة، المتحكم فيه بالديناميكا الفونونية. وهذا يفتح طريقًا جديدًا لتجاوز القيود التقليدية في الإلكترونيات شبه الموصلة.
في MoS₂ تكون ذرات الموليبدينوم أثقل بمرتين من ذرات الكبريت، وهذا يخلق فجوة محظورة في طيف الفونونات عند نحو 1 تيراهرتز. وبسبب ذلك لا تستطيع الفونونات الضوئية أن تتفكك بسرعة إلى صوتية، فتبقى الحاملات الساخنة محتفظة بطاقتها مدة أطول.
فكرة التحكم في خصائص المادة عبر اهتزازات الشبكة تتقاطع مع مفهوم «الحواسيب الفونونية» في الخيال العلمي، حيث تُنقل المعلومات بموجات حرارية لا بإلكترونات.