Justerbare kvantefeller for eksitoner

Forskere ved ETH Zürich har for første gang lykkes med å fange eksitoner – kvasipartikler som består av negativt ladede elektroner og positivt ladede hull – i et halvledermateriale ved bruk av kontrollerbare elektriske felt. Den nye teknikken er viktig for å lage enkeltfotonkilder så vel som for grunnforskning.

I halvledermaterialer, elektrisk strøm kan ledes både av elektroner og av positivt ladede hull, eller manglende elektroner. Lys som treffer materialet kan også begeistre elektroner til et høyere energibånd, og etterlate et hull i det originale båndet. Gjennom elektrostatisk tiltrekning kombineres elektronet og hullet nå for å skape en såkalt exciton, en kvasipartikkel som som helhet oppfører seg som en nøytral partikkel. På grunn av deres nøytralitet har det så langt vært vanskelig å holde eksitoner på et bestemt punkt inne i et materiale.

Et team av forskere ledet av Ataç Imamoğlu, professor ved fysikkavdelingen, Puneet Murthy, postdoc i hans gruppe, og David Norris, professor ved Institutt for mekanisk og prosessteknikk, har nå for første gang lyktes med å fange eksitoner i en liten rom ved hjelp av kontrollerbare elektriske felt, og demonstrerer også kvantiseringen av deres bevegelse. Forskerne håper at resultatene deres, nylig publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Naturvil føre til fremgang mot applikasjoner innen optiske teknologier samt til ny innsikt i grunnleggende fysiske fenomener.

Et viktig grensesnitt

“Excitoner spiller en viktig rolle i grensesnittet mellom halvledere og lys,” sier Murthy. De brukes for eksempel i lyssensorer, solceller eller til og med nye enkeltfotonkilder for kvanteteknologier. Å fange dem på en kontrollert måte har vært et ambisiøst mål for forskning i faststofffysikk i mange år.

Forskerne ved ETH lager eksitonfellene sine ved å legge et tynt lag av halvledermaterialet molybdendiselenid mellom to isolatorer og legge til en elektrode på toppen og bunnen. I denne konfigurasjonen dekker toppelektroden bare en del av materialet. Som et resultat skaper påføring av en spenning et elektrisk felt hvis styrke avhenger av posisjonen inne i materialet. Dette fører igjen til at positivt ladede hull samler seg inne i halvlederen rett under toppelektroden, mens negativt ladede elektroner hoper seg opp andre steder. I halvlederplanet oppstår dermed et elektrisk felt mellom disse to sonene.

Kvantisert eksitonbevegelse

“Dette elektrisk feltsom endrer seg sterkt over en kort avstand, kan veldig effektivt fange eksitonene i materialet,” forklarer Deepankur Thureja, Ph.D.-student og hovedforfatter av papiret som utførte eksperimentene sammen med Murthy. Selv om eksitonene er elektrisk nøytrale de kan polariseres av elektriske felt, noe som gjør at elektronet og hullet i eksitonen trekkes litt lenger fra hverandre.Dette resulterer i et elektrisk dipolfelt, som samhandler med det ytre feltet og dermed utøver en kraft på eksitonet.

For å eksperimentelt demonstrere at dette prinsippet faktisk fungerer, belyste forskerne materialet med laserlys med forskjellige bølgelengder og målte lysrefleksjonen i hvert tilfelle. Ved å gjøre det observerte de en rekke resonanser, noe som betyr at ved visse bølgelengder ble lyset reflektert sterkere enn forventet. Videre kunne resonansene justeres ved å endre spenningen på elektrodene. “For oss var det et tydelig tegn på at de elektriske feltene skapte en felle for eksitonene, og at bevegelsen til eksitonene inne i den fellen ble kvantisert,” sier Thureja. Kvantisert her betyr at eksitonene bare kan ta på seg visse veldefinerte energitilstander, omtrent som elektroner inne i et atom. Fra posisjonene til resonansene var Imamoğlu og hans medarbeidere i stand til å utlede at eksitonfellen skapt av de elektriske feltene var mindre enn ti nanometer bred.

Applikasjoner innen kvanteinformasjonsbehandling

Slike sterkt fangede eksitoner er ekstremt viktige både for praktiske anvendelser og grunnleggende spørsmål, sier Murthy: “Elektrisk kontrollerbare eksitonfeller var et manglende ledd i kjeden frem til nå.” For eksempel kan fysikere nå sette sammen mange slike fangede eksitoner og justere dem på en slik måte at de sender ut fotoner med nøyaktig de samme egenskapene. “Det ville tillate en å lage identiske enkeltfotonkilder for kvanteinformasjonsbehandling,” forklarer Murthy. Og Imamoğlu legger til: “Disse fellene åpner også for nye perspektiver for grunnforskning. Blant annet vil de gjøre oss i stand til å studere ikke-likevektstilstander av sterkt interagerende eksitoner.”

---

---