Viritettävät kvanttiloukut eksitoneille

ETH Zürichin tutkijat ovat onnistuneet ensimmäisinä vangitsemaan eksitoneja puolijohdemateriaaliin.

Elektronin ja aukon muodostava eksitoni on kvasihiukkasen, joka kokonaisuutena käyttäytyy kuin neutraali hiukkanen. Neutraalisuuden vuoksi eksitoneja on toistaiseksi ollut vaikea pitää tietyssä kohdassa materiaalin sisällä.

"Eksitoneilla on tärkeä rooli puolijohteiden ja valon rajapinnassa", sanoo postdoc tutkija Puneet Murthy. Niitä käytetään esimerkiksi valoantureissa, aurinkokennoissa tai jopa uusissa kvanttiteknologioiden yksittäisissä fotonilähteissä. Niiden hallittu vangitseminen on ollut solid-state-fysiikan tutkimuksen kunnianhimoinen tavoite useiden vuosien ajan.

ETH:n tutkijat luovat eksitoniloukkunsa levittämällä ohuen kerroksen puolijohteista molybdeenidiselenidia kahden eristeen väliin ja lisäämällä elektrodit ylä- ja alaosaan.

Kootussa rakenteessa yläelektrodi peittää vain osan materiaalista. Näin jännitteen kohdistaminen luo sähkökentän, jonka voimakkuus riippuu sijainnista materiaalin sisällä. Tämä puolestaan saa aikaan positiivisesti varautuneiden aukkojen kerääntymisen puolijohteen sisään suoraan yläelektrodin alle, kun taas negatiivisesti varautuneita elektroneja kasaantuu muualle. Puolijohteen tasossa sähkökenttä syntyy siis näiden kahden vyöhykkeen väliin.

"Tämä sähkökenttä, joka muuttuu voimakkaasti lyhyellä matkalla, voi erittäin tehokkaasti vangita materiaalin eksitonit", selittää Deepankur Thureja, tohtoriopiskelija ja tutkimuksen johtava kirjoittaja, joka teki kokeet yhdessä Murthyn kanssa.

Vaikka eksitonit ovat sähköisesti neutraaleja, ne voivat polarisoitua sähkökentillä, mikä tarkoittaa, että elektroni ja eksitonin aukko vetäytyvät hieman kauemmaksi toisistaan. Tämä johtaa sähköiseen dipolikenttään, joka on vuorovaikutuksessa ulkoisen kentän kanssa ja siten kohdistaa voiman eksitoniin.

Osoittaakseen kokeellisesti, että tämä periaate todella toimii, tutkijat valasivat materiaalia eri aallonpituuksin laservalolla ja mittasivat valon heijastuksen kussakin tapauksessa. Näin tehdessään he havaitsivat sarjan resonansseja, mikä tarkoittaa, että tietyillä aallonpituuksilla valo heijastui odotettua voimakkaammin.

Lisäksi resonansseja voitiin virittää muuttamalla elektrodien jännitettä. "Meille se oli selvä merkki siitä, että sähkökentät loivat ansan eksitoneille ja että ansan sisällä olevien eksitonien liike kvantisoitiin", Thureja sanoo. Kvantisointi tässä tarkoittaa, että eksitonit voivat ottaa vain tiettyjä hyvin määriteltyjä energiatiloja, aivan kuten atomin sisällä olevat elektronit.

Tällaiset vahvasti loukkuun jääneet eksitonit ovat äärimmäisen tärkeitä sekä käytännön sovelluksissa että peruskysymyksissä, Murthy sanoo: "Sähköisesti ohjattavat eksitoniloukut ovat olleet tähän asti ketjun puuttuva lenkki."

Esimerkiksi fyysikot voivat nyt yhdistää monia tällaisia loukkuun jääviä eksitoneja ja säätää niitä siten, että ne emittoivat fotoneja, joilla on täsmälleen samat ominaisuudet eli olisi mahdollista luoda yksittäisten fotonien lähde kvantti-informaation käsittelyyn.

Tutkijat toivovat, että heidän tulokset johtavat myös edistymiseen kohti optisten teknologioiden sovelluksia sekä luovat uusia oivalluksia fysikaalisista perusilmiöistä.

Aiheesta aiemmin:

Negatiivinen valon taittuminen

Tietojenkäsittelyn tehonkulutuksen alarajalle

Kierteisiä topologisia eksitoni-polaritoneja