Осветление темного экситона и направленное излучение. а Схема направленного излучения темных экситонов в монослое WSe 2 при нормально падающем свете накачки. Затем сигнал ФЛ темных экситонов может быть направленно испущен через связанные состояния Фридриха-Винтгена в континууме (BIC), поддерживаемом той же плитой PhC. б Расщепленная конфигурация светлых и темных экситонных состояний. Запрещенный по спину оптический переход темного экситона (X D ) осветляется преобразованным E ⊥ с усилением на верхней поверхности пластины PhC. CB, зона проводимости; ВБ, валентная зона. c Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), пластины PhC, изготовленной из нитрида кремния (Si 3 N 4). d и e BIC, а моды резонатора получают оптическое ограничение в импульсном (k) и реальном (x) пространстве соответственно. f Эскиз оптической зонной структуры пластины PhC с тремя типами BIC: ① и ④ — BIC с защитой on-Γ симметрии, ② — случайный BIC вне Γ, а ③ — BIC Фридриха-Винтгена из-за к деструктивной интерференции резонансов, принадлежащих разным диапазонам (красному и синему). Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34740-5

Исследователи работают над улучшением 2D-полупроводников, лучше понимая темные экситоны и то, как их можно применять в будущих технологиях, начиная от квантовых компьютеров и заканчивая солнечными панелями следующего поколения.

Доктор Шоуфенг Лан, доцент кафедры машиностроения имени Дж. Майка Уокера 1966 года в Техасском университете A&M, возглавляет проект по изучению того, как оптически неактивный «темный» вариант экситонов — связанное состояние электрона и электрона — пара дырок, часто встречающаяся в полупроводниках, — к ним можно получить доступ и управлять ими по-новому. Это позволит найти множество приложений в квантовых материалах.

Открытия, сделанные в результате исследования, способствуют лучшему пониманию фундаментальных аспектов темных экситонов с потенциальным внедрением в будущие устройства следующего поколения, квантовые компьютеры и более эффективные солнечные панели.

«Эта демонстрация проложит путь для таких приложений, как квантовая обработка информации, квантовые вычисления, фотонные схемы и долинная электроника, которые используют захватывающие свойства темных экситонов для кодирования и транспортировки информации», — сказал Лан.

Исследование под названием «Когерентный контроль импульса запрещенных экситонов» было недавно опубликовано в журнале Nature Communications.

Экситоны бывают двух видов: оптически яркие и темные. Яркие экситоны могут излучать фотоны — безмассовые частицы для света, тогда как темные экситоны обычно оптически неактивны, но могут похвастаться более длительным излучательным временем жизни. Последняя особенность, по словам Лана, особенно интересна, поскольку команда исследует способы применения темных экситонов в квантовой обработке информации.

Исследовательская группа смогла наметить более эффективное решение дилеммы, связанной с темными экситонами, с малыми потерями, путем повторного введения фотонных связанных состояний в континууме (BIC) для манипулирования ими в фотонной среде импульсного пространства. Лан сказал, что эта платформа может быть использована для переопределения взаимодействий света и материи, возникающих в близлежащих квантовых материалах, что было бы сложно или невозможно осуществить иначе.

«Исследование с использованием фотонных кристаллов, поддерживающих фотонные BIC, продемонстрировало увеличение яркости темных экситонов и получение от них когерентной направленной фотоэмиссии при комнатной температуре», — сказал Лан.

По сравнению с подходами, в которых используются внешние стимулы , такие как сильное магнитное поле, использование командой фотонных кристаллов с изоляторами без потерь показало себя более совместимым с полупроводниками и фотонной схемой, а также позволяющим контролировать направленность.

Заглядывая вперед, команда работает над улучшением дизайна и реализации своих BIC с планом разработки низкопороговых лазеров и квантовых явлений и устройств в наномасштабе.

«Обычно используются суперкомпьютеры с коммерческим программным обеспечением для моделирования спектральных характеристик путем сканирования всех параметров — экспериментальных условий, геометрии, свойств материалов и т. д. — что может занять дни, если не недели», — сказал Лан. «Используя искусственный интеллект с глубоким обучением, мы могли бы значительно увеличить скорость этого процесса».

Исследование группы по использованию искусственного интеллекта с глубоким обучением для фотонных BIC было опубликовано ранее в этом году в журнале Laser & Photonics Reviews.