Onderzoekers van ETH Zürich zijn er voor het eerst in geslaagd excitonen - quasideeltjes bestaande uit negatief geladen elektronen en positief geladen gaten - in een halfgeleidermateriaal te vangen met behulp van regelbare elektrische velden. De nieuwe techniek is zowel belangrijk voor het maken van enkelvoudige fotonbronnen als voor fundamenteel onderzoek.

In halfgeleidermaterialen kan elektrische stroom zowel door elektronen als door positief geladen gaten of ontbrekende elektronen worden geleid. Licht dat op het materiaal valt, kan ook elektronen naar een hogere energieband brengen, waardoor een gat in de oorspronkelijke band achterblijft. Door elektrostatische aantrekking vormen het elektron en het gat nu een zogenaamd exciton, een quasideeltje dat zich als geheel gedraagt ​​als een neutraal deeltje. Vanwege hun neutraliteit was het tot nu toe moeilijk om excitonen op een specifiek punt in een materiaal vast te houden.

Een team van wetenschappers onder leiding van Ataç Imamoğlu, hoogleraar aan de afdeling Natuurkunde, Puneet Murthy, postdoc in zijn groep, en David Norris, hoogleraar aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Procestechniek, is er nu voor het eerst in geslaagd om excitonen in een klein ruimte met behulp van regelbare elektrische velden, en demonstreren ook de kwantisering van hun beweging. De onderzoekers hopen dat hun resultaten, onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature , zal leiden tot vooruitgang in de richting van toepassingen in optische technologieën en tot nieuwe inzichten in fundamentele fysische fenomenen.

Een belangrijke interface

"Excitaties spelen een belangrijke rol op het grensvlak tussen halfgeleiders en licht", zegt Murthy. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in lichtsensoren, zonnecellen of zelfs nieuwe enkelvoudige fotonbronnen voor kwantumtechnologieën. Ze op een gecontroleerde manier vangen is al vele jaren een ambitieus doel van onderzoek in vaste-stoffysica.

De onderzoekers van ETH creëren hun excitonvallen door een dunne laag van het halfgeleidermateriaal molybdeendiselenide tussen twee isolatoren te sandwichen en een elektrode aan de boven- en onderkant toe te voegen. In deze configuratie bedekt de bovenste elektrode slechts een deel van het materiaal. Als gevolg hiervan ontstaat door het aanleggen van een spanning een elektrisch veld waarvan de sterkte afhangt van de positie in het materiaal. Dit zorgt er op zijn beurt voor dat positief geladen gaten zich ophopen in de halfgeleider direct onder de bovenste elektrode, terwijl elders negatief geladen elektronen zich opstapelen. In het vlak van de halfgeleider ontstaat dus een elektrisch veld tussen die twee zones.

Gekwantiseerde excitonbeweging

"Dit elektrische veld, dat over een korte afstand sterk verandert, kan de excitonen in het materiaal zeer effectief opsluiten", legt Deepankur Thureja, Ph.D. student en hoofdauteur van de paper die de experimenten samen met Murthy uitvoerde. Hoewel de excitonen elektrisch neutraal zijn, kunnen ze worden gepolariseerd door elektrische velden, wat betekent dat het elektron en het gat van de exciton iets verder uit elkaar worden getrokken. Dit resulteert in een elektrisch dipoolveld, dat interageert met het externe veld en zo een kracht uitoefent op het exciton.

Om experimenteel aan te tonen dat dit principe echt werkt, belichtten de onderzoekers het materiaal met laserlicht van verschillende golflengten en maten ze telkens de lichtreflectie. Daarbij observeerden ze een reeks resonanties, waardoor het licht op bepaalde golflengten sterker werd gereflecteerd dan verwacht. Verder konden de resonanties worden afgestemd door de spanning op de elektroden te veranderen. "Voor ons was dat een duidelijk teken dat de elektrische velden een val voor de excitonen vormden en dat de beweging van de excitonen in die val werd gekwantificeerd", zegt Thureja. Hier gekwantiseerd betekent dat de excitonen alleen bepaalde goed gedefinieerde energietoestanden kunnen aannemen, net zoals elektronen in een atoom. Uit de posities van de resonanties konden Imamoğlu en zijn medewerkers afleiden dat de door de elektrische velden gecreëerde excitonval minder dan tien nanometer breed was.

Toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie

Dergelijke sterk opgesloten excitonen zijn uiterst belangrijk, zowel voor praktische toepassingen als voor basisvragen, zegt Murthy:"Elektrisch bestuurbare excitonvallen waren tot nu toe een ontbrekende schakel in de keten." Natuurkundigen kunnen nu bijvoorbeeld veel van dergelijke ingesloten excitonen aan elkaar rijgen en ze zo aanpassen dat ze fotonen met exact dezelfde eigenschappen uitzenden. "Dat zou het mogelijk maken om identieke enkele fotonbronnen te creëren voor de verwerking van kwantuminformatie", legt Murthy uit. En Imamoğlu voegt eraan toe:"Die vallen openen ook nieuwe perspectieven voor fundamenteel onderzoek. Ze zullen ons onder meer in staat stellen om niet-evenwichtstoestanden van sterk op elkaar inwerkende excitonen te bestuderen." + Verder verkennen

'Exciton-surfen' kan de volgende generatie energie-, computer- en communicatietechnologie mogelijk maken