Toekomstige technologieën gebaseerd op de principes van de kwantummechanica kunnen een revolutie teweegbrengen in de informatietechnologie. Maar om de apparaten van morgen te realiseren, de fysici van vandaag moeten nauwkeurige en betrouwbare platforms ontwikkelen om kwantummechanische deeltjes te vangen en te manipuleren.

In een paper gepubliceerd op 25 februari in het tijdschrift Natuur , een team van natuurkundigen van de Universiteit van Washington, de Universiteit van Hongkong, het Oak Ridge National Laboratory en de Universiteit van Tennessee, melden dat ze een nieuw systeem hebben ontwikkeld om individuele excitonen te vangen. Dit zijn gebonden elektronenparen en hun bijbehorende positieve ladingen, bekend als gaten, die kunnen worden geproduceerd wanneer halfgeleiders licht absorberen. Excitons zijn veelbelovende kandidaten voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën die een revolutie teweeg kunnen brengen in de reken- en communicatievelden.

Het team, geleid door Xiaodong Xu, de Boeing Distinguished Professor van de UW in zowel natuurkunde als materiaalwetenschappen en techniek, werkte met twee enkellaags 2D halfgeleiders, molybdeendiselenide en wolfraamdiselenide, die vergelijkbare honingraatachtige rangschikkingen van atomen in een enkel vlak hebben. Toen de onderzoekers deze 2D-materialen bij elkaar plaatsten, een kleine draai tussen de twee lagen creëerde een "superrooster" -structuur die bekend staat als een moiré-patroon - een periodiek geometrisch patroon van bovenaf gezien. De onderzoekers vonden dat, bij temperaturen slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, dit moirépatroon creëerde een getextureerd landschap op nanoschaal, vergelijkbaar met de kuiltjes op het oppervlak van een golfbal, die excitonen op hun plaats kunnen houden zoals eieren in een eierdoos. Hun systeem zou de basis kunnen vormen van een nieuw experimenteel platform voor het nauwkeurig monitoren van excitonen en het mogelijk ontwikkelen van nieuwe kwantumtechnologieën, zei Xu, die tevens facultair onderzoeker is bij het Clean Energy Institute van UW.

Excitonen zijn opwindende kandidaten voor communicatie- en computertechnologieën omdat ze interageren met fotonen - losse pakketten, of quanta, van licht - op manieren die zowel de exciton- als de fotoneigenschappen veranderen. Een exciton kan worden geproduceerd wanneer een halfgeleider een foton absorbeert. Het exciton kan later ook weer transformeren in een foton. Maar wanneer een exciton voor het eerst wordt geproduceerd, het kan een aantal specifieke eigenschappen van het individuele foton erven, zoals draaien. Deze eigenschappen kunnen vervolgens worden gemanipuleerd door onderzoekers, zoals het veranderen van de draairichting met een magnetisch veld. Als het exciton weer een foton wordt, het foton behoudt informatie over hoe de exciton-eigenschappen veranderden gedurende zijn korte levensduur - meestal, ongeveer honderd nanoseconden voor deze excitonen - in de halfgeleider.

Om de "informatieregistratie"-eigenschappen van individuele excitonen in elke technologische toepassing te gebruiken, onderzoekers hebben een systeem nodig om enkele excitonen te vangen. Het moirépatroon voldoet aan deze eis. Zonder het, de kleine excitonen, waarvan wordt gedacht dat ze minder dan 2 nanometer in diameter zijn, zou overal in het monster kunnen diffunderen, waardoor het onmogelijk is om individuele excitonen en de informatie die ze bezitten te volgen. Terwijl wetenschappers eerder complexe en gevoelige benaderingen hadden ontwikkeld om verschillende excitonen dicht bij elkaar te vangen, het door het UW-geleide team ontwikkelde moirépatroon is in wezen een natuurlijk gevormde 2D-array die honderden excitonen kan vangen, zo niet meer, waarbij elk fungeert als een kwantumpunt, een primeur in de kwantumfysica.

Een uniek en grensverleggend kenmerk van dit systeem is dat de eigenschappen van deze vallen, en dus de excitonen, kan worden bestuurd door een draai. Toen de onderzoekers de rotatiehoek tussen de twee verschillende 2-D halfgeleiders veranderden, ze observeerden verschillende optische eigenschappen in excitonen. Bijvoorbeeld, excitonen in monsters met draaihoeken van nul en 60 graden vertoonden opvallend verschillende magnetische momenten, evenals verschillende helicities van gepolariseerde lichtemissie. Na het onderzoeken van meerdere monsters, de onderzoekers waren in staat om deze draaihoekvariaties te identificeren als "vingerafdrukken" van excitonen die vastzaten in een moiré-patroon.

In de toekomst, de onderzoekers hopen de effecten van kleine draaihoekvariaties systematisch te bestuderen, die de afstand tussen de excitonvallen fijn kan afstemmen - de kuiltjes in de eierdoos. Wetenschappers zouden de golflengte van het moirépatroon groot genoeg kunnen instellen om excitonen afzonderlijk te onderzoeken, of klein genoeg om excitonen dicht bij elkaar te plaatsen en met elkaar te kunnen 'praten'. Dit eerste-van-zijn-soort niveau van precisie kan wetenschappers in staat stellen de kwantummechanische eigenschappen van excitonen te onderzoeken terwijl ze interageren, die de ontwikkeling van baanbrekende technologieën zouden kunnen bevorderen, zei Xu.

"In principe, deze moiré-potentialen zouden kunnen functioneren als arrays van homogene kwantumstippen, " zei Xu. "Dit kunstmatige kwantumplatform is een zeer opwindend systeem voor het uitoefenen van precisiecontrole over excitonen - met gemanipuleerde interactie-effecten en mogelijke topologische eigenschappen, wat zou kunnen leiden tot nieuwe soorten apparaten op basis van de nieuwe fysica."

"De toekomst is erg rooskleurig, " voegde Xu toe.