Ученые заставили темные экситоны светиться с помощью нанотрубок

Плазмонная гетероструктура для управления темными экситонами. Автор: Цзяминь Цюань

Исследовательская группа из Городского университета Нью-Йорка и Техасского университета в Остине обнаружила способ заставить ранее скрытые состояния света, известные как темные экситоны, ярко светиться и контролировать их излучение в наномасштабе. Их выводы, опубликованные сегодня в журнале Nature Photonics, открывают путь к созданию более быстрых, компактных и энергоэффективных технологий.

Темные экситоны — это экзотические светоматериальные состояния в атомарно тонких полупроводниках, которые обычно остаются невидимыми, поскольку излучают свет очень слабо. Однако эти состояния чрезвычайно перспективны для квантовой информации и передовых фотонных приложений благодаря своим уникальным свойствам взаимодействия света и материи, длительному времени жизни и сниженному взаимодействию с окружающей средой, что уменьшает декогеренцию.

Чтобы выявить эти неуловимые состояния, команда создала наномасштабную оптическую полость с использованием золотых нанотрубок и однослойного диселенида вольфрама (WSe₂) — материала толщиной всего в три атома. Эта конструкция усилила световое излучение от темных экситонов в поразительные 300 000 раз, сделав их не только видимыми, но и управляемыми.

«Эта работа показывает, что мы можем получить доступ и управлять светоматериальными состояниями, которые ранее были недоступны», — сказал главный исследователь исследования Андреа Алю, выдающийся профессор физики и профессор Эйнштейна в CUNY Graduate Center, а также основатель и директор Фотонной инициативы в Центре передовых научных исследований CUNY Graduate Center (CUNY ASRC).

«Включая и выключая эти скрытые состояния по желанию и управляя ими с наномасштабным разрешением, мы открываем захватывающие возможности для революционного развития оптических и квантовых технологий следующего поколения, включая сенсорику и вычисления».

Исследовательская группа также продемонстрировала, что эти темные состояния можно настраивать по требованию с помощью электрических и магнитных полей, что обеспечивает точный контроль для потенциальных применений в фотонных схемах, сенсорах и квантовой связи. В отличие от предыдущих попыток, этот подход сохраняет естественные свойства материала, одновременно достигая рекордного усиления связи света и материи.

«Наше исследование раскрывает новое семейство спиново-запрещенных темных экситонов, которые ранее никогда не наблюдались», — сказал Цзяминь Цюань, первый автор исследования. «Это открытие — только начало; оно открывает путь для изучения многих других скрытых квантовых состояний в 2D-материалах».

Это открытие также разрешает давние споры о том, могут ли плазмонные структуры действительно усиливать темные экситоны, не изменяя их природу при тесном контакте. Авторы решили эту проблему, тщательно спроектировав плазмонно-экcитонную гетероструктуру с использованием нанометровых слоев нитрида бора, что стало ключом к обнаружению новых темных экситонов, наблюдаемых командой.

Больше информации: Цзяминь Цюань и др., On-site enhancement and control of spin-forbidden dark excitons in a plasmonic heterostructure, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01788-w

Источник: CUNY Advanced Science Research Center