Forskere opdager metode til at skabe og fange trioner ved stuetemperatur

Trioner består af tre ladede partikler bundet sammen af ​​meget svag bindingsenergi. Selvom trioner potentielt kan bære mere information end elektroner i applikationer som elektronik og kvanteberegning, trioner er typisk ustabile ved stuetemperatur, og bindingerne mellem trionpartikler er så svage, at de hurtigt falder fra hinanden. De fleste undersøgelser af trioner kræver superafkølede temperaturer, og selv da, deres flygtige natur har gjort trioner svære at kontrollere og svære at studere.

Et team af forskere ledet af University of Maryland har opdaget en metode til pålideligt at syntetisere og fange trioner, der forbliver stabile ved stuetemperatur. Forskningen gør det muligt at manipulere trioner og studere deres grundlæggende egenskaber. Arbejdet er beskrevet i et forskningsartikel, der blev offentliggjort den 16. oktober, 2019, i journalen ACS Central Science .

"Dette arbejde gør syntetisering af trioner meget effektivt og giver en metode til at manipulere dem på måder, vi ikke har været i stand til før, "sagde YuHuang Wang, professor i kemi og biokemi ved UMD og seniorforfatter af papiret. "Med evnen til at stabilisere og fange trioner, vi har potentiale til at opbygge et meget rent system til undersøgelse af processerne for lysemitterende dioder og solceller og til udvikling af kvanteinformationsteknologier. "

I den nye undersøgelse, Wang og hans kolleger brugte en kemisk reaktion til at skabe defekter på overfladen af ​​enkeltvæggede carbon nanorør. Defekterne forårsager fordybninger i energilandskabet på nanorørets ledende overflade. Disse fordybninger kan betragtes som brønde, som ladede partikler, der strømmer forbi, kan falde ned i og blive fanget inde.

Efter at have skabt fejlene, forskerne rettede fotoner mod nanorørene og observerede lys luminescens på defekte steder. Hvert glimt af luminescens ved en karakteristisk bølgelængde indikerede, at en elektron og en partikel kaldet en exciton var blevet fanget på et defekt sted og bundet sammen til en trion.

Excitonerne blev skabt, da forskerne rettede fotoner mod kulstofnanorørene. Når et carbon nanorør absorberer en foton, en elektron i nanorøret pumpes fra grundtilstanden til en ophidset tilstand, efterlader et hul, der er positivt ladet. Hullet og elektronen er tæt bundet sammen, danner et elektronhulspar kaldet en exciton. Ifølge forskerne, når en exciton og en elektron falder i en brønd, der er skabt af den kemiske defekt, de binder sammen til en trion bestående af to elektroner og et hul. Efterhånden som trionen forfalder, det frigiver en foton, resulterer i den lyse luminescens, som forskerne observerede.

"Det er næsten som at bringe atomfysik ind i et kemilaboratorium, "sagde Wang, "fordi brønden, der skyldes den kemiske defekt, fungerer som en slags bæger i atomskala til en enkelt" binding "-begivenhed. Hvad er meget spændende, er, at trionens energiniveau er dikteret af brønden, og vi kan bruge kemiske reaktioner til at manipulere brønden. Dette betyder, at vi potentielt kan kontrollere energien og stabiliteten af ​​trioner. "

Wang sagde, at ved at ændre egenskaberne ved den kemiske defekt, der er skabt på overfladen af ​​nanorøret, det kan blive muligt at manipulere afgiften præcist, elektronspind og andre egenskaber ved de trioner, de fanger. De fangede trioner Wang og hans samarbejdspartnere observerede i denne undersøgelse var mere end syv gange lysere end de lyseste trioner nogensinde har rapporteret, og de varede mere end 100 gange længere end gratis trioner.

Wang og hans team har til hensigt at fortsætte med at udvikle deres metoder til præcist at kontrollere syntesen af ​​trioner ved bevidst skabte defekter på carbon nanorør og studere de grundlæggende fotofysik og optiske egenskaber ved trioner.

Evnen til pålideligt at skabe stabile trioner med specifikke egenskaber vil have brede konsekvenser for teknologier som f.eks. kemisk sansning, energi høst, solid-state computing og quantum computing.

"Det er interessant, at en defekt ikke altid er negativ, og i vores tilfælde kunne føre til helt nye måder at generere trioner og foretage grundforskning på disse kvasi-partikler, "sagde en af ​​undersøgelsens hovedforfattere Hyejin Kwon (Ph.D. '16, kemi), som nu laver sin postdoktorale forskning ved University of Colorado. Kwon ledede undersøgelsen sammen med Mijin Kim (Ph.D. '18, kemi), som nu er postdoktor ved Memorial Sloan Kettering Cancer Center.