Justerbare kvantefælder til excitoner

Forskere ved ETH Zürich er for første gang lykkedes med at fange excitoner – kvasipartikler bestående af negativt ladede elektroner og positivt ladede huller – i et halvledermateriale ved hjælp af kontrollerbare elektriske felter. Den nye teknik er vigtig for at skabe enkeltfotonkilder såvel som for grundforskning.

I halvledermaterialer kan elektrisk strøm ledes både af elektroner og af positivt ladede huller eller manglende elektroner. Lys, der rammer materialet, kan også excitere elektroner til et højere energibånd og efterlade et hul i det originale bånd. Gennem elektrostatisk tiltrækning kombineres elektronen og hullet nu for at skabe en såkaldt exciton, en kvasipartikel, der som helhed opfører sig som en neutral partikel. På grund af deres neutralitet har det hidtil været svært at holde excitoner på et bestemt punkt inde i et materiale.

Et team af forskere ledet af Ataç Imamoğlu, professor ved Fysik Afdeling, Puneet Murthy, postdoc i hans gruppe, og David Norris, professor ved Institut for Mekanisk og Procesteknik, er nu for første gang lykkedes med at fange excitoner i en lillebitte rum ved hjælp af kontrollerbare elektriske felter og demonstrerer også kvantiseringen af ​​deres bevægelse. Forskerne håber, at deres resultater, for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature , vil føre til fremskridt hen imod anvendelser inden for optiske teknologier samt til ny indsigt i grundlæggende fysiske fænomener.

En vigtig grænseflade

"Excitoner spiller en vigtig rolle i grænsefladen mellem halvledere og lys," siger Murthy. De bruges for eksempel i lyssensorer, solceller eller endda nye enkeltfotonkilder til kvanteteknologier. At fange dem på en kontrolleret måde har været et ambitiøst mål for forskning i faststoffysik i mange år.

Forskerne ved ETH skaber deres excitonfælder ved at klemme et tyndt lag af halvledermaterialet molybdændiselenid mellem to isolatorer og tilføje en elektrode på toppen og bunden. I denne konfiguration dækker den øverste elektrode kun en del af materialet. Som et resultat skaber påføring af en spænding et elektrisk felt, hvis styrke afhænger af positionen inde i materialet. Dette får igen positivt ladede huller til at samle sig inde i halvlederen direkte under den øverste elektrode, hvorimod negativt ladede elektroner hober sig op. I halvlederens plan opstår der således et elektrisk felt mellem disse to zoner.

Kvantiseret excitonbevægelse

"Dette elektriske felt, som ændrer sig kraftigt over en kort afstand, kan meget effektivt fange excitonerne i materialet," forklarer Deepankur Thureja, Ph.D. studerende og hovedforfatter på papiret, der udførte eksperimenterne sammen med Murthy. Selvom excitonerne er elektrisk neutrale, kan de polariseres af elektriske felter, hvilket betyder, at elektronen og hullet i excitonen trækkes lidt længere fra hinanden. Dette resulterer i et elektrisk dipolfelt, som interagerer med det ydre felt og dermed udøver en kraft på excitonen.

For eksperimentelt at demonstrere, at dette princip faktisk virker, belyste forskerne materialet med laserlys af forskellige bølgelængder og målte lysreflektionen i hvert enkelt tilfælde. Ved at gøre det observerede de en række resonanser, hvilket betyder, at lyset ved visse bølgelængder blev reflekteret stærkere end forventet. Endvidere kunne resonanserne tunes ved at ændre spændingen på elektroderne. "For os var det et klart tegn på, at de elektriske felter skabte en fælde for excitonerne, og at bevægelsen af ​​excitonerne inde i den fælde blev kvantiseret," siger Thureja. Kvantiseret her betyder, at excitonerne kun kan antage visse veldefinerede energitilstande, ligesom elektroner inde i et atom. Ud fra positionerne af resonanserne var Imamoğlu og hans medarbejdere i stand til at udlede, at excitonfælden skabt af de elektriske felter var mindre end ti nanometer bred.

Applikationer i kvanteinformationsbehandling

Sådanne stærkt fangede excitoner er ekstremt vigtige både for praktiske anvendelser og grundlæggende spørgsmål, siger Murthy:"Elektrisk kontrollerbare excitonfælder var et manglende led i kæden indtil nu." For eksempel kan fysikere nu samle mange sådanne fangede excitoner og justere dem på en sådan måde, at de udsender fotoner med nøjagtig de samme egenskaber. "Det ville give en mulighed for at skabe identiske enkeltfotonkilder til kvanteinformationsbehandling," forklarer Murthy. Og Imamoğlu tilføjer:"Disse fælder åbner også nye perspektiver for grundforskning. Blandt andet vil de sætte os i stand til at studere ikke-ligevægtstilstande af stærkt interagerende excitoner." + Udforsk yderligere

'Exciton-surfing' kunne muliggøre næste generations energi-, computer- og kommunikationsteknologi