Лазерный луч (оранжевый) создает экситоны (фиолетовые), которые удерживаются внутри полупроводникового материала электрическими полями. Предоставлено: Пунит Мурти / ETH Zurich

В полупроводниковых материалах электрический ток может проводиться как электронами, так и положительно заряженными дырками или недостающими электронами. Свет, падающий на материал, также может возбудить электроны в полосе более высоких энергий, оставив после себя дыру в исходной полосе. Благодаря электростатическому притяжению электрон и дырка теперь объединяются, создавая так называемый экситон, квазичастицу, которая в целом ведет себя как нейтральная частица. Из-за их нейтральности до сих пор было трудно удерживать экситоны в определенной точке внутри материала.

Группе ученых во главе с Атачем Имамоглу, профессором физического факультета, Пунитом Мурти, постдоком в его группе, и Дэвидом Норрисом, профессором кафедры машиностроения и технологических процессов, впервые удалось поймать экситоны в ловушку крошечного кристалла пространство с помощью управляемых электрических полей, а также демонстрация квантования их движения. Исследователи надеются, что их результаты, недавно опубликованные в научном журнале Nature, приведут к прогрессу в применении оптических технологий, а также к новому пониманию фундаментальных физических явлений.

Важный интерфейс

«Экситоны играют важную роль на границе между полупроводниками и светом, — говорит Мурти. Они используются, например, в датчиках света, солнечных элементах или даже в новых источниках одиночных фотонов для квантовых технологий. Контролируемое их улавливание было амбициозной целью исследований в области физики твердого тела на протяжении многих лет.

Исследователи из ETH создают свои экситонные ловушки, помещая тонкий слой полупроводникового материала диселенида молибдена между двумя изоляторами и добавляя электрод сверху и снизу. В этой конфигурации верхний электрод покрывает только часть материала. В результате приложение напряжения создает электрическое поле, сила которого зависит от положения внутри материала. Это, в свою очередь, вызывает накопление положительно заряженных дырок внутри полупроводника непосредственно под верхним электродом, тогда как в других местах накапливаются отрицательно заряженные электроны. Таким образом, в плоскости полупроводника между этими двумя зонами возникает электрическое поле.

Когда на верхний и нижний электроды подается напряжение, внутри полупроводника накапливаются дырки (синие) и электроны (красные). Между этими двумя областями создается электрическое поле, которое может поляризовать и захватывать экситоны (синий/красный). Справа: в образовавшейся «ловушке» экситоны стягиваются к минимуму энергии. Предоставлено: Пунит Мурти / ETH Zurich

Квантованное экситонное движение

«Это электрическое поле, которое сильно меняется на коротком расстоянии, может очень эффективно задерживать экситоны в материале», — объясняет Дипанкур Туреджа, доктор философии, студент и ведущий автор статьи, проводивший эксперименты вместе с Мурти. Хотя экситоны электрически нейтральны, они могут поляризоваться электрическими полями, а это означает, что электрон и дырка экситона немного отдаляются друг от друга. Это приводит к электрическому дипольному полю, которое взаимодействует с внешним полем и, таким образом, действует на экситон.

Чтобы экспериментально продемонстрировать, что этот принцип действительно работает, исследователи освещали материал лазерным светом с различной длиной волны и измеряли отражение света в каждом случае. При этом они наблюдали серию резонансов, а это означает, что на определенных длинах волн свет отражался сильнее, чем ожидалось. Кроме того, резонансы можно было настраивать, изменяя напряжение на электродах. «Для нас это было явным признаком того, что электрические поля создали ловушку для экситонов и что движение экситонов внутри этой ловушки было квантовано», — говорит Туреха. Квантование здесь означает, что экситоны могут принимать только определенные четко определенные энергетические состояния, очень похожие на электроны внутри атома.

Приложения в квантовой обработке информации

Такие сильно захваченные экситоны чрезвычайно важны как для практических приложений, так и для фундаментальных вопросов, говорит Мурти: «Электрически управляемые экситонные ловушки до сих пор были недостающим звеном в цепи». Например, теперь физики могут связать множество таких захваченных экситонов и настроить их таким образом, чтобы они излучали фотоны с точно такими же свойствами. «Это позволило бы создавать идентичные источники одиночных фотонов для обработки квантовой информации», — объясняет Мурти. И Имамоглу добавляет: «Эти ловушки также открывают новые перспективы для фундаментальных исследований. Среди прочего, они позволят нам изучать неравновесные состояния сильно взаимодействующих экситонов».