Trions bestaan ​​uit drie geladen deeltjes die aan elkaar zijn gebonden door een zeer zwakke bindingsenergie. Hoewel trionen potentieel meer informatie kunnen dragen dan elektronen in toepassingen zoals elektronica en kwantumcomputers, trionen zijn doorgaans onstabiel bij kamertemperatuur, en de bindingen tussen triondeeltjes zijn zo zwak dat ze snel uit elkaar vallen. Het meeste onderzoek naar trions vereist onderkoelde temperaturen, en zelfs dan, hun vluchtige karakter heeft trions moeilijk te beheersen en moeilijk te bestuderen gemaakt.

Een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Maryland heeft een methode ontdekt om op betrouwbare wijze trionen te synthetiseren en te vangen die stabiel blijven bij kamertemperatuur. Het onderzoek maakt het mogelijk om trions te manipuleren en hun fundamentele eigenschappen te bestuderen. Het werk wordt beschreven in een onderzoekspaper gepubliceerd op 16 oktober, 2019, in het journaal ACS Centrale Wetenschap .

"Dit werk maakt het synthetiseren van trions zeer efficiënt en biedt een methode om ze te manipuleren op manieren die we eerder niet konden, " zei Yu Huang Wang, een professor in de chemie en biochemie aan de UMD en een senior auteur van het papier. "Met de mogelijkheid om trions te stabiliseren en te vangen, we hebben het potentieel om een ​​zeer schoon systeem te bouwen voor het bestuderen van de processen die van toepassing zijn op lichtgevende dioden en fotovoltaïsche energie en voor het ontwikkelen van kwantuminformatietechnologieën."

In de nieuwe studie Wang en zijn collega's gebruikten een chemische reactie om defecten te creëren op het oppervlak van enkelwandige koolstofnanobuisjes. De defecten veroorzaken depressies in het energielandschap van het geleidende oppervlak van de nanobuis. Deze depressies kunnen worden gezien als bronnen waarin geladen deeltjes die langs stromen, kunnen vallen en erin vast kunnen komen te zitten.

Na het creëren van de gebreken, de onderzoekers richtten fotonen op de nanobuisjes en observeerden heldere luminescentie op defectlocaties. Elke flits van luminescentie bij een karakteristieke golflengte gaf aan dat een elektron en een deeltje dat een exciton wordt genoemd, waren vastgelopen op een defectlocatie en samengebonden tot een trion.

De excitonen ontstonden toen de onderzoekers fotonen op de koolstofnanobuisjes richtten. Wanneer een koolstofnanobuis een foton absorbeert, een elektron in de nanobuis wordt van de grondtoestand naar een aangeslagen toestand gepompt, waardoor een gat achterblijft dat positief geladen is. Het gat en het elektron zijn stevig met elkaar verbonden, vormen een elektron-gatpaar, een exciton genaamd. Volgens de onderzoekers is wanneer één exciton en één elektron in een put vallen die is ontstaan ​​door het chemische defect, ze binden samen in een trion bestaande uit twee elektronen en één gat. Terwijl de trion vergaat, het geeft een foton af, resulterend in de heldere luminescentie die de onderzoekers waarnamen.

"Het is bijna alsof je atoomfysica naar een scheikundelab brengt, " zei Wang, "omdat de put die het gevolg is van het chemische defect, functioneert als een soort beker op atomaire schaal voor één enkele 'binding'-gebeurtenis. Wat erg opwindend is, is dat het energieniveau van het trion wordt bepaald door de put, en we kunnen chemische reacties gebruiken om de put te manipuleren. Dit betekent dat we mogelijk de energie en stabiliteit van trions kunnen beheersen."

Wang zei dat door de eigenschappen van het chemische defect op het oppervlak van de nanobuis te veranderen, het kan mogelijk worden om de lading nauwkeurig te manipuleren, elektronenspin en andere eigenschappen van de trionen die ze vangen. De gevangen trions die Wang en zijn medewerkers in dit onderzoek hebben waargenomen, waren meer dan zeven keer helderder dan de helderste trions die ooit zijn gerapporteerd, en ze gingen meer dan 100 keer langer mee dan gratis trions.

Wang en zijn team zijn van plan door te gaan met het ontwikkelen van hun methoden voor het nauwkeurig beheersen van de synthese van trions bij opzettelijk gecreëerde defecten op koolstofnanobuisjes en het bestuderen van de fundamentele fotofysica en optische eigenschappen van trions.

Het vermogen om op betrouwbare wijze stabiele trions met specifieke eigenschappen te creëren, zal brede implicaties hebben voor technologieën zoals bio-imaging, chemische detectie, energie oogsten, solid-state computing en quantum computing.

"Het is interessant dat een defect niet altijd negatief is, en in ons geval zou kunnen leiden tot geheel nieuwe manieren om trions te genereren en fundamenteel onderzoek te doen naar deze quasi-deeltjes, " zei een van de hoofdauteurs van de studie Hyejin Kwon (Ph.D. '16, scheikunde), die nu haar postdoctoraal onderzoek doet aan de Universiteit van Colorado. Kwon leidde de studie samen met Mijin Kim (Ph.D. '18, scheikunde), die nu een postdoctoraal onderzoeker is bij Memorial Sloan Kettering Cancer Center.