Ученые впервые напрямую наблюдали «темные экситоны» — основу для квантовых технологий будущего

Экспериментальная установка TR-ARPES, использованная в исследовании. Автор: Jeff Prine (OIST)

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) впервые в мире напрямую наблюдали за поведением неуловимых «темных экситонов» в атомарно тонких материалах. Это открытие закладывает основу для новых прорывов в классических и квантовых информационных технологиях. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

Профессор Кешав Дани, руководитель подразделения, пояснил:

Темные экситоны обладают большим потенциалом в качестве носителей информации, поскольку они по своей природе менее склонны взаимодействовать со светом, а значит, их квантовые свойства деградируют медленнее. Однако эта «невидимость» также делает их крайне сложными для изучения и управления. Основываясь на нашем предыдущем прорыве 2020 года, мы открыли путь к созданию, наблюдению и манипулированию темными экситонами.

Как объясняет соавтор работы аспирант Син Чжу, в электронике информация обрабатывается за счет манипуляций с зарядом электронов, в спинтронике используется спин электронов, а в валлейтронике уникальная кристаллическая структура материалов позволяет кодировать информацию в особые состояния импульса электронов, известные как «долины» (valleys).

Способность использовать «долинное» измерение темных экситонов для переноса информации делает их перспективными кандидатами для квантовых технологий. Они более устойчивы к таким факторам окружающей среды, как тепловой фон, по сравнению с современными кубитами, что потенциально позволит обойтись менее экстремальным охлаждением и снизит риск потери квантовой когерентности.

Экспериментальная установка в OIST с передовым микроскопом TR-ARPES. Автор: Jeff Prine & Andrew Scott (OIST)

Когда свет попадает на полупроводник, электрон переходит на более высокий энергетический уровень, оставляя после себя «дырку». Связанная пара электрон-дырка образует квазичастицу — экситон. Если квантовые свойства электрона и дырки совпадают, они рекомбинируют, испуская свет — это «светлые» экситоны. Если свойства не совпадают, рекомбинация невозможна, и экситон не излучает свет — это «темные» экситоны, которые могут существовать гораздо дольше.

Доктор Дэвид Бэкон, соавтор исследования, уточнил:

Существует два «вида» темных экситонов — темные по импульсу и темные по спину, в зависимости от того, какое свойство электрона и дырки не совпадает. Это несоответствие не только предотвращает немедленную рекомбинацию, но и делает темные экситоны более изолированными от взаимодействия с окружающей средой.

Графическая иллюстрация результатов, показывающая, как популяция различных экситонов возникает и развивается во времени в пикосекундном масштабе. Автор: Jack Featherstone (OIST)

Используя уникальную установку TR-ARPES, способную отслеживать процессы в фемтосекундном масштабе, команда смогла в реальном времени отслеживать характеристики всех экситонов, одновременно измеряя их импульс, спиновое состояние и популяцию.

Результаты показали, что в течение пикосекунды часть светлых экситонов рассеивается и становится темными по импульсу. Позднее начинают доминировать темные по спину экситоны, которые сохраняются уже в наносекундном масштабе. Таким образом, ученые преодолели фундаментальную проблему доступа к темным экситонам, заложив основу для новой области — «темной валлейтроники».

Атомная структура ультратонких полупроводников и соответствующая ей картина «долин» в импульсном пространстве.

Доктор Жюльен Мадео отметил:

Благодаря сложной установке TR-ARPES в OIST мы напрямую получили доступ и картировали то, как и какие темные экситоны сохраняют долгоживущую долинную информацию. Будущие разработки для считывания долинных свойств темных экситонов откроют широкие перспективы для их применения в информационных системах.