Viritettävät kvanttiloukut eksitoneille

31.05.2022

ETH-viritettavia-eksitoneja-250-t.jpgETH 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

18.03.2024Kvanttimateriaalitutkimuksen uudet työkalut
16.03.2024Räjähtämätön vedyntuotantomenetelmä
15.03.2024Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen
14.03.2024Elektronit vedessä ja särkyneinä
13.03.2024Sateenvarjo atomeille
12.03.2024Magnetismilla energiatehokasta laskentaa
11.03.2024Molekyylielekroniikan johteita ja kytkimiä
09.03.2024Elektroniikkaromusta kultaa edullisesti
09.03.2024Jännitystä aurinkoenergian keräämiseen
07.03.2024Kolmas ulottuvuus langattoman prosessoinnille
06.03.2024Mikroaaltoinen fotoniikkasiru nopeaan signaalinkäsittelyyn
05.03.2024Palonkestävä natriumakku
04.03.2024Polymeeripohjaiset viritettävät optiset komponentit
01.03.2024Tulevaisuuden kubitti luotiin kvanttiprosessoriin
29.02.2024Uudenlaisia ratkaisuja pienen koon tehokäyttöihin
28.02.2024Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos
27.02.2024Elektroneja murto-osina grafeenissa
26.02.2024Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri
24.02.2024Entistä tehokkaampia aurinkokennoja
23.02.2024Uusi resepti kvanttisimuloinnille
22.02.2024Li-ion-johteita uuden suunnan kestäville akuille
21.02.2024Uusi laji magnetismia
20.02.2024Hyppivät atomit muistavat missä ne ovat olleet
19.02.2024Puolipallon muoto aurinkokennoon
17.02.2024Perovskiittiä vihreän vedyn tuotantoon
16.02.2024Fotoniikan nanovalmistusta printterillä
15.02.2024Neuromorfisia näkösensoreita
14.02.20242D-materiaaleista heterorakenteita
13.02.2024Magneettisten supervoimien vapauttaminen
12.02.2024Kvanttiedulla liikkuva maali
10.02.2024Antureita ympäristöhaittojen seurantaan
09.02.2024Kohti kvantti-internetiä ja kvanttiviestintää
08.02.2024Tehokkaita röntgensäteitä ja ultraviolettivaloa
07.02.2024Kubitti, jossa on sisäänrakennettu virheenkorjaus
06.02.2024Laskentaa valoaalloilla
05.02.20243D-tulostettu elektroninen iho ja näyttö
03.02.2024Läpimurto kvanttipisteisissä aurinkokennoissa
02.02.2024Äänikäyttöiset anturit säästävät miljoonia paristoja
01.02.2024Energiankeruuta ja kuvantamista samanaikaisesti
31.01.2024Pitkään kestäviä grafeenin laaksotiloja kubiteille
30.01.2024Pinoa neuroverkkojärjestelmiä rakennelohkoista
29.01.2024Vihreiden ledien tehokkuus paremmaksi
27.01.2024Ultranopea vetyvuodon anturi
26.01.2024Uusi ehdokas yleismuistiksi
25.01.2024Teollisesti valmistettava kvanttimuisti
24.01.2024Ensimmäinen topologinen kvanttipiiri
23.01.2024Grafeenista vihdoin toiminnallinen puolijohde
23.01.2024Lämpösähköä esineiden Internetille
20.01.2024Polttokenno toimii maaperässä ikuisesti
19.01.2024Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin
18.01.2024Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia
17.01.2024Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille
16.01.2024Ihmisen kuulojärjestelmä mallina yksijohtimiselle anturiryhmälle
15.01.2024Todennäköisyyspohjaisia tietokoneita ja tekoälyä
13.01.2024Valo välittää dataa sata kertaa nopeammin kuin Wi-Fi
12.01.2024More than Moore -konsepti
11.01.2024Korkeamman lämpötilan suprajohteiden kytkentää
10.01.2024Hiili tehostaa 2D-elektroniikkaa
09.01.2024Stokastista synkronia salaukseen ja neuroneille
08.01.2024Polymeeristä syntyy katalyyttikide
06.01.2024Kuupölystä aurinkokennoja
05.01.2024Kvanttipisteisiä aurinkosähkökennoja
04.01.2024Plasmoneita ja tekoälyä terahertsitutkimuksiin
03.01.2024Vetyä ja polymeeriä akkuihin
02.01.2024Aivomainen transistori jäljittelee ihmisen älykkyyttä
01.01.2024Yhdistetty "kilparata" mahdollistaa uuden optisen laitteen
29.12.2023Liukuvaa ferrosähköisyyttä ja timantteja
28.12.2023Magneto-optista materiaalia pii-integrointiin
27.12.2023Kvanttipisteanturi ei tarvitse ulkoista teholähdettä
22.12.2023Sähköistävä parannus kuparin johtavuuteen
21.12.2023Yksittäisestä 2D-materiaalista suprajohtava liitos
20.12.2023Nanoresonaattorit avaavat tietä kvanttiverkoille
19.12.2023Metapinta-antenni 6G:lle ja meta-atomeja
18.12.2023Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia
16.12.2023Kvanttiakuissa rikotaan kausaliteetti
15.12.2023Hierarkkinen generatiivinen mallinnus autonomisille roboteille
14.12.2023Uusi näkemys moniarvoisten akkujen suunnitteluun
13.12.2023Optisella langattomalla ei ehkä enää ole esteitä.
13.12.2023Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä
12.12.2023Edullista tribosähköä ja aurinkokenno puumateriaalista
08.12.20232D-materiaaleista 3D-elektroniikkaa tekoälylaitteistoihin
07.12.2023Fotonikomponentteja RF-signaalin käsittelyyn
06.12.2023Elektromagnoniikasta uusi tiedonkäsittelyn alusta
05.12.2023Uusi alusta kvantti-informaation käsittelyyn
04.12.2023Lämpöä voidaan käyttää laskentaan
01.12.2023Askel biologian ja mikroelektroniikan integroinnille
30.11.2023Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen
29.11.2023Mikrotekniikkaa ja molekyylikemiaa aurinkokennoille
28.11.2023Materiaalien kehittelyä koneoppisella
27.11.2023Kaksiulotteisia magneetteja tietotekniikalle
25.11.2023Uusi jäähdytysmekanismi jääkaapeille ja jäähdytyslaitteille
24.11.2023Vangita elektroneja 3D-kiteeseen
23.11.2023Pikofotoniikan synty: Kohti aikakidemateriaaleja
22.11.2023Veden ja ilman välinen akustinen viestintä
21.11.2023Uusia kubittiratkaisuja
20.11.2023Erittäin nopeat laserit erittäin pienillä siruilla
18.11.2023Grafeenia, fotosynteesiä ja tekoälyä vihreään energiantuotantoon
17.11.2023Parempaa energiatehokkuutta tietojenkäsittelyyn
16.11.2023Kommunikointia tyhjyyden kanssa
15.11.2023Metamolekyylisen metamateriaalin valmistus

Näytä lisää »