Forskere forestiller kvasipartikler, der kan føre til hurtigere kredsløb, højere båndbredder

Zhe Fei pegede på de lyse og mørke lodrette linjer, der løber hen over hans computerskærm. Dette nanobillede, forklarede han, viser bølgerne forbundet med et halvlys, halvsagskvasipartikel, der bevæger sig inde i en halvleder.

"Det er bølger ligesom vandbølger, "sagde Fei, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Iowa State University og en medarbejder ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory. "Det er som at tabe en sten på overfladen af ​​vand og se bølger. Men disse bølger er exciton-polaritoner."

Exciton-polaritoner er en kombination af lys og stof. Som alle kvasipartikler, de er skabt i et fast stof og har fysiske egenskaber som energi og momentum. I dette studie, de blev lanceret ved at skinne en laser på den skarpe spids af et nano-billeddannelsessystem rettet mod en tynd flage molybdæn diselenid (MoSe2), en lagdelt halvleder, der understøtter excitoner.

Excitoner kan dannes, når lys absorberes af en halvleder. Når excitoner parrer sig stærkt med fotoner, de skaber exciton-polaritoner.

Det er første gang, forskere har lavet real-time billeder af exciton-polaritoner. Fei sagde, at tidligere forskningsprojekter har brugt spektroskopiske undersøgelser til at registrere exciton-polaritoner som resonansspidser eller fald i optiske spektre. Indtil de seneste år, de fleste undersøgelser har kun observeret kvasipartiklerne ved ekstremt kolde temperaturer - ned til omkring -450 grader Fahrenheit.

Men Fei og hans forskningsgruppe arbejdede ved stuetemperatur med det scannende nærfeltoptiske mikroskop i sit campuslaboratorium for at tage nano-optiske billeder af kvasipartiklerne.

"Vi er de første til at vise et billede af disse kvasipartikler, og hvordan de formerer sig, forstyrre og udsende, "Sagde Fei.

Forskerne, for eksempel, målte en formeringslængde på mere end 12 mikron - 12 milliontedele af en meter - for exciton -polaritoner ved stuetemperatur.

Fei sagde, at oprettelsen af ​​exciton-polaritoner ved stuetemperatur og deres formeringsegenskaber er væsentlig for at udvikle fremtidige applikationer til kvasipartiklerne. En dag kunne de endda bruges til at bygge nanofotoniske kredsløb til at erstatte elektroniske kredsløb til nanoskalaenergi eller informationsoverførsel.

Fei sagde, at nanofotoniske kredsløb med deres store båndbredde kunne være op til 1 million gange hurtigere end nuværende elektriske kredsløb.

Et forskerhold ledet af Fei rapporterede for nylig sine resultater i det videnskabelige tidsskrift Natur fotonik . Papirets første forfatter er Fengrui Hu, en postdoktor i Iowa -staten inden for fysik og astronomi. Yderligere medforfattere er Yilong Luan, en doktorand i Iowa State i fysik og astronomi; Marie Scott, en nyuddannet bachelor ved University of Washington; Jiaqiang Yan og David Mandrus fra Oak Ridge National Laboratory og University of Tennessee; og Xiaodong Xu fra University of Washington.

Forskernes arbejde blev støttet af midler fra Iowa State og Ames Laboratory til at starte Fei's forskningsprogram. W.M. Keck Foundation i Los Angeles støttede også delvist den nano-optiske billeddannelse til projektet.

Forskerne lærte også, at ved at ændre tykkelsen på MoSe2 -halvlederen, de kunne manipulere egenskaberne af exciton-polaritonerne.

Fei, der har studeret kvasipartikler i grafen og andre 2-D-materialer siden sin gymnasietid ved University of California San Diego, sagde, at hans tidligere arbejde åbnede dørene for undersøgelser af exciton-polaritoner.

"Vi er nødt til at undersøge fysikken i exciton-polaritoner yderligere, og hvordan disse kvasipartikler kan manipuleres, " han sagde.

Det kan føre til nye enheder såsom polariton -transistorer, Sagde Fei. Og det kan en dag føre til gennembrud inden for fotonisk og kvanteteknologi.