В реальности не всегда все идет так, как хочется. Это особенно верно в мире света. Тем не менее, исследовательская группа POSTECH успешно контролировала «трионы», что стало прорывом в разработке того, что в конечном итоге может стать революционной технологией оптической связи.

Группа исследователей под руководством профессора Кён-Дака Парка и доктора философии Хёнву Ли с физического факультета POSTECH преуспел в получении трионов высокой чистоты с помощью наноразмерного плазмонного волновода и управления местом, в котором были созданы частицы.

Экситоны образуются, когда свет фокусируется на полупроводниковом материале. Экситон, соединение электрона и дырки, электрически нейтрален. Добавление еще одного электрона к экситону дает трион. Несмотря на то, что обе частицы используются для создания устройств оптической связи следующего поколения и солнечных элементов, трионы имеют больше преимуществ перед экситонами. Они лучше подходят для практических приложений, поскольку ими можно управлять с помощью электрического поля и они имеют более слабую энергию связи.

Команда использовала «наноразмерный плазмонный волновод» с шириной зазора около 200 нм для создания трионов. Волновод помогает превращать свет в «плазмоны» — явление коллективных колебаний электронов. Он также сильно удерживает плазмоны в пространстве, которое меньше длины волны света, чтобы транспортировать их в нужное место.

Когда двумерный полупроводниковый материал переносится на волновод, он вытягивается вверх вдоль канавки на волноводе. При фокусировке света на двумерном материале в полупроводнике образуются экситоны, и они текут к центру волновода, как вода, вылитая через воронку. Высокая энергия плазмонов помогает переносить электроны в металлической части волновода к полупроводнику. Затем транспортируемые электроны движутся к центру волновода, чтобы соединиться с экситонами, в конечном итоге создавая трионы.

Команда также успешно контролировала место, где создаются трионы, путем пространственного управления плазмонами с помощью комбинации адаптивной оптики и нанооптики. С помощью этой технологии исследователи смогли производить как плазмоны, так и трионы в нужном месте на плазмонном волноводе.

Это исследование важно тем, что вместо «электричества» использовался «свет». Проход, по которому движется свет, помог найти решение для разработки оптических устройств. Также важно, что исследование объединило различные дисциплины: «экситонику», изучающую такие частицы, как экситоны, и «плазмонику», изучающую плазмоны. Когда мы сталкиваемся с нашими ограничениями, мы склонны находить решение в своей области. Однако команда мыслила нестандартно, чтобы найти решение, основанное на конвергенции разных дисциплин.

Ожидается, что результаты исследования внесут большой вклад в эффективное управление оптическими устройствами на основе трионов и разработку высокоэффективных устройств для оптического преобразования энергии. Хёнву Ли, первый автор статьи, сказал: «Я думаю, что исследование определило новую физическую концепцию, которая может создавать и контролировать трионы в наноразмерных пространствах с полупроводниковыми частицами».

Плазмонный волновод был изготовлен группой под руководством Хюка Чу, исполнительного вице-президента Samsung Electronics; предварительный анализ образцов был проведен группой под руководством профессора Хон Сок Ли и профессора Санмина Ан из Национального университета Чонбук; материалы, использованные в эксперименте, были подготовлены группой под руководством профессора Ки Кан Кима из Университета Сонгюнкван; и измерения были проведены вместе с Yeonjeong Koo, Huitae Joo и Mingu Kang из отдела физики POSTECH.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.