Bij extreem lage temperaturen, materie gedraagt ​​zich vaak anders dan onder normale omstandigheden. Bij temperaturen slechts enkele graden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius), fysieke deeltjes kunnen hun onafhankelijkheid opgeven en voor een korte tijd versmelten tot een enkel object waarin alle deeltjes dezelfde eigenschappen delen. Dergelijke structuren staan ​​bekend als Bose-Einstein-condensaten, en ze vertegenwoordigen een speciale geaggregeerde toestand van materie.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van natuurkundigen Dr. Carlos Anton-Solanas en professor Christian Schneider van de Universiteit van Oldenburg is er nu voor het eerst in geslaagd deze ongebruikelijke kwantumtoestand te genereren in ladingsdragercomplexen die nauw verbonden zijn met lichtdeeltjes en zich bevinden in ultradunne halfgeleiderplaten bestaande uit een enkele laag atomen. Zoals het team meldt in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen , dit proces produceert licht dat lijkt op dat van een laser. Dit betekent dat het fenomeen kan worden gebruikt om de kleinst mogelijke vaste-stoflasers te maken.

Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen de Oldenburgse onderzoekers en de onderzoeksgroepen van professor Sven Höfling en professor Sebastian Klembt van de Universiteit van Würzburg (Duitsland), Professor Sefaattin Tongay van de Arizona State University (VS), Professor Alexey Kavokin van de Westlake University (China), en professor Takashi Taniguchi en professor Kenji Watanabe van het National Institute of Materials Science in Tsukuba (Japan).

De studie richt zich op quasideeltjes die zowel uit materie als licht bestaan, bekend als exciton-polaritonen - het product van sterke koppelingen tussen aangeslagen elektronen in vaste stoffen en lichte deeltjes (fotonen). Ze vormen wanneer elektronen door laserlicht worden gestimuleerd in een hogere energietoestand. Na een korte tijd in de orde van een biljoenste van een seconde, de elektronen keren terug naar hun grondtoestand door lichtdeeltjes opnieuw uit te zenden.

Wanneer deze deeltjes tussen twee spiegels worden gevangen, ze kunnen op hun beurt nieuwe elektronen opwekken - een cyclus die zich herhaalt totdat het lichtdeeltje uit de val ontsnapt. De licht-materie hybride deeltjes die daarbij ontstaan ​​worden exciton-polaritonen genoemd. Ze combineren interessante eigenschappen van elektronen en fotonen en gedragen zich op dezelfde manier als bepaalde fysieke deeltjes die bosonen worden genoemd. "Apparaten die deze nieuwe toestanden van lichte materie kunnen besturen, houden de belofte in van een technologische sprong in vergelijking met de huidige elektronische circuits, " zei hoofdauteur Anton-Solanas, een postdoctoraal onderzoeker in de Quantum Materials Group aan het Institute of Physics van de Universiteit van Oldenburg. Dergelijke opto-elektronische circuits, die werken met licht in plaats van elektrische stroom, zou beter en sneller kunnen zijn in het verwerken van informatie dan de huidige processors.

In de nieuwe studie het team onder leiding van Anton-Solanas en Schneider keek naar exciton-polaritonen in ultradunne kristallen bestaande uit een enkele laag atomen. Deze tweedimensionale kristallen hebben vaak ongebruikelijke fysieke eigenschappen. Bijvoorbeeld, het hier gebruikte halfgeleidermateriaal, molybdeendiselenide, is zeer reactief op licht.

De onderzoekers construeerden platen van molybdeendiselenide van minder dan één nanometer (een miljardste van een meter) dik en plaatsten het tweedimensionale kristal tussen twee lagen andere materialen die lichtdeeltjes reflecteren zoals spiegels. "Deze structuur werkt als een kooi voor licht, " legde Anton-Solanas uit. Natuurkundigen noemen het een 'microholte'.

Anton-Solanas en zijn collega's koelden hun opstelling tot enkele graden boven het absolute nulpunt en stimuleerden de vorming van exciton-polaritonen met korte pulsen laserlicht. Boven een bepaalde intensiteit zagen ze een plotselinge toename van de lichtemissie van hun monster. Dit, samen met ander bewijs, stelden hen in staat te concluderen dat ze erin waren geslaagd een Bose-Einstein-condensaat te creëren uit exciton-polaritonen.

"In theorie, dit fenomeen zou kunnen worden gebruikt om coherente lichtbronnen te construeren op basis van slechts een enkele laag atomen, "Zei Anton-Solanas. "Dit zou betekenen dat we de kleinst mogelijke vastestoflaser hebben gemaakt." De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het effect ook bij kamertemperatuur kan worden bereikt, met andere materialen. zodat het op termijn ook geschikt zou zijn voor praktische toepassingen. De eerste experimenten van het team in deze richting zijn al succesvol geweest.