Наноразмерный трюк заставил «тёмные экситоны» светиться в 300 000 раз ярче

Плазмонная гетероструктура для управления тёмными экситонами. Автор: Цзяминь Цюань

Исследовательская группа из Городского университета Нью-Йорка и Техасского университета в Остине разработала метод, который заставляет тёмные экситоны — класс ранее ненаблюдаемых световых состояний — излучать яркий свет и позволяет управлять ими с наноразмерной точностью. Исследование, опубликованное 12 ноября в журнале Nature Photonics, открывает путь к созданию технологий будущего, которые будут работать быстрее, потреблять меньше энергии и иметь ещё меньшие размеры.

Тёмные экситоны образуются в ультратонких полупроводниковых материалах и обычно остаются незаметными, поскольку испускают лишь очень слабый свет. Тем не менее, учёные давно рассматривают их как перспективные для квантовых вычислений и передовой фотоники, поскольку они необычно взаимодействуют со светом, остаются стабильными относительно долгое время и меньше подвержены влиянию окружающей среды, что помогает снизить декогеренцию.

Усиление тёмных экситонов с помощью наноразмерного дизайна

Чтобы сделать эти скрытые состояния видимыми, исследователи создали крошечную оптическую полость из золотых нанотрубок в сочетании с однослойным диселенидом вольфрама (WSe2) — материалом толщиной всего в три атома. Эта структура увеличила яркость свечения тёмных экситонов в невероятные 300 000 раз, сделав их чётко наблюдаемыми и позволив точно контролировать их поведение.

«Эта работа показывает, что мы можем получить доступ и управлять состояниями света и материи, которые ранее были недосягаемы, — сказал главный исследователь Андреа Алю, выдающийся профессор физики и профессор Эйнштейна в Аспирантском центре CUNY. — Включая и выключая эти скрытые состояния по желанию и управляя ими с наноразмерным разрешением, мы открываем захватывающие возможности для революционного развития оптических и квантовых технологий следующего поколения, включая сенсорику и вычисления».

Электрический и магнитный контроль скрытых квантовых состояний

Команда также продемонстрировала, что этими тёмными экситонами можно переключать и управлять с помощью электрических и магнитных полей. Такой уровень контроля может лечь в основу новых конструкций для фотоники на чипе, высокочувствительных детекторов и безопасной квантовой связи. Важно, что этот метод сохраняет первоначальные характеристики материала, одновременно достигая рекордного улучшения связи между светом и материей.

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

Решение спора в плазмонике

Полученные результаты также дают ответ на давний вопрос о том, могут ли плазмонные структуры усиливать тёмные экситоны, не изменяя их фундаментальную природу при близком расположении. Исследователи решили эту проблему, создав плазмонно-экзитонную гетероструктуру с использованием нанометровых слоев нитрида бора, что оказалось ключевым для выявления новых тёмных экситонов.

Работа получила поддержку от Управления научных исследований ВВС, Управления военно-морских исследований и Национального научного фонда США.