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

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

Исследователи из Окинавского института науки и технологий впервые в мире непосредственно наблюдали эволюцию неуловимых «темных экситонов» в атомарно тонких материалах. Это открытие закладывает основу для новых прорывов в классических и квантовых информационных технологиях.

Профессор Кешав Дани, руководитель исследования, пояснил:

«Темные экситоны обладают большим потенциалом в качестве носителей информации, поскольку они по своей природе менее склонны взаимодействовать со светом и, следовательно, менее подвержены деградации своих квантовых свойств. Однако эта невидимость также делает их очень сложными для изучения и управления».

Соавтор работы Син Чжу добавил:

«Если в обычной электронике информация обрабатывается за счет манипуляций с зарядом электронов, а в спинтронике используется спин электронов, то в валлейтронике кристаллическая структура уникальных материалов позволяет кодировать информацию в различных состояниях импульса электронов, известных как «долины»».

Темные экситоны образуются в полупроводниках, когда возбужденный электрон и оставленная им «дырка» имеют несовпадающие квантовые свойства. Это предотвращает их немедленную рекомбинацию с излучением света, что характерно для «ярких» экситонов. В результате темные экситоны существуют на несколько порядков дольше — до наносекунд, что делает их перспективными для квантовых вычислений.

Используя уникальную установку TR-ARPES с экстремальным ультрафиолетовым источником, ученые смогли одновременно отслеживать импульс, спиновое состояние и популяцию электронов и дырок с фемтосекундным разрешением. Исследование показало, что сначала образуются «импульсно-темные» экситоны, а затем доминируют «спиново-темные», которые сохраняются на наносекундных масштабах.

Доктор Жюльен Мадео заключил:

«Мы непосредственно определили, как и какие темные экситоны сохраняют долгоживущую долинную информацию. Будущие разработки для считывания свойств темных экситонов откроют широкие перспективы для валлейтронных приложений».