"Trion" klinkt misschien als de naam van een van de theoretische deeltjes die verantwoordelijk zijn voor het verpesten van operaties aan boord van de Starship Enterprise.

Maar geloof het of niet, trionen zijn echt - en ze kunnen binnenkort een sleutelrol spelen in elektronische apparaten. Duke-onderzoekers hebben voor het eerst een aantal van de gedragingen van deze unieke deeltjes vastgesteld, een eerste stap om ze aan het werk te zetten in de elektronica.

Trions zijn wat wetenschappers 'quasideeltjes' noemen, " bundels energie, elektrische lading en spin die in halfgeleiders rondzoemen.

"Trions vertonen unieke eigenschappen die je niet zult vinden in conventionele deeltjes zoals elektronen, gaten (positieve ladingen) en excitonen (elektron-gatparen die worden gevormd wanneer licht interageert met bepaalde materialen), " zei Yusong Bai, een postdoctoraal onderzoeker op de scheikundeafdeling van Duke. "Vanwege hun unieke eigenschappen, trionen kunnen worden gebruikt in nieuwe elektronica zoals fotovoltaïsche, fotodetectoren, of in spintronica."

Meestal zijn deze eigenschappen – energie, lading en spin - worden gedragen door afzonderlijke deeltjes. Bijvoorbeeld, excitonen dragen de lichtenergie die zonnecellen aandrijft, en elektronen of gaten dragen de elektrische lading die elektronische apparaten aandrijft. Maar trions zijn in wezen drie-in-een deeltjes, het combineren van deze elementen tot een enkele entiteit - vandaar de "tri" in trion.

"Een trion is deze hybride waarbij een lading met een exciton trouwt om een ​​uniek onderscheiden deeltje te worden, " zei Michael Therien, de William R. Kenan, Jr. hoogleraar scheikunde aan Duke. "En de reden waarom mensen enthousiast zijn over trions is omdat ze een nieuwe manier zijn om spin te manipuleren, opladen, en de energie van geabsorbeerd licht, allemaal tegelijk."

Tot voor kort, wetenschappers hadden niet veel aandacht besteed aan trionen omdat ze alleen bij extreem lage temperaturen in halfgeleiders te vinden waren - ongeveer 2 Kelvin, of -271 Celsius. Een paar jaar geleden, onderzoekers observeerden trions in koolstofnanobuisjes bij kamertemperatuur, het potentieel openen om ze in echte elektronische apparaten te gebruiken.

Bai gebruikte een lasermeettechniek om te bestuderen hoe trions zich gedragen in zorgvuldig ontworpen en zeer uniforme koolstofnanobuisjes. Hij onderzocht basiseigenschappen, waaronder hoe ze worden gevormd, hoe snel ze bewegen en hoe lang ze leven.

Hij was verrast te ontdekken dat onder bepaalde omstandigheden, deze ongewone deeltjes waren eigenlijk vrij eenvoudig te maken en te controleren.

"We ontdekten dat deze deeltjes erg stabiel zijn in materialen zoals koolstofnanobuisjes, die kan worden gebruikt in een nieuwe generatie elektronica, " zei Bai. "Deze studie is de eerste stap om te begrijpen hoe we voordeel kunnen halen uit hun unieke eigenschappen."

Het team publiceerde hun resultaten op 8 januari in de Proceedings van de National Academy of Sciences .