Framtida teknik baserad på kvantmekanikens principer kan revolutionera informationstekniken. Men för att inse morgondagens enheter, dagens fysiker måste utveckla exakta och pålitliga plattformar för att fånga och manipulera kvantmekaniska partiklar.

I ett papper publicerat 25 februari i tidningen Natur , ett team av fysiker från University of Washington, universitetet i Hong Kong, Oak Ridge National Laboratory och University of Tennessee, rapportera att de har utvecklat ett nytt system för att fånga enskilda excitoner. Dessa är bundna elektronpar och deras tillhörande positiva laddningar, känd som hål, som kan produceras när halvledare absorberar ljus. Excitons är lovande kandidater för att utveckla ny kvantteknik som kan revolutionera beräknings- och kommunikationsområdena.

Laget, ledd av Xiaodong Xu, UW:s Boeing Distinguished Professor i både fysik och materialvetenskap och teknik, arbetat med två enkelsidiga 2-D halvledare, molybden -diselenid och volfram -diselenid, som har liknande bikakeliknande arrangemang av atomer i ett enda plan. När forskarna placerade dessa 2-D-material tillsammans, en liten vridning mellan de två lagren skapade en "supergitter" -struktur som kallas ett moirémönster - ett periodiskt geometriskt mönster sett ovanifrån. Forskarna fann att, vid temperaturer bara några grader över absolut noll, detta moirémönster skapade ett strukturerat landskap på nanoskala-nivå, liknande groparna på ytan av en golfboll, som kan fälla excitoner på plats som ägg i en äggkartong. Deras system kan utgöra grunden för en ny experimentell plattform för att övervaka excitoner med precision och eventuellt utveckla nya kvanttekniker, sa Xu, som också är fakultetsforskare vid UW:s Clean Energy Institute.

Excitons är spännande kandidater för kommunikation och datorteknik eftersom de interagerar med fotoner - enkla paket, eller quanta, ljus - på sätt som förändrar både exciton- och fotonegenskaper. En exciton kan produceras när en halvledare absorberar en foton. Excitonen kan också senare förvandlas tillbaka till en foton. Men när en exciton först produceras, det kan ärva vissa specifika egenskaper från den enskilda foton, som snurr. Dessa egenskaper kan sedan manipuleras av forskare, som att ändra rotationsriktningen med ett magnetfält. När excitonen igen blir en foton, fotonen behåller information om hur excitonegenskaperna förändrades under dess korta livslängd - vanligtvis ungefär hundra nanosekunder för dessa excitoner - i halvledaren.

För att utnyttja enskilda excitons "informationsinspelande" egenskaper i alla tekniska applikationer, forskare behöver ett system för att fånga enstaka excitoner. Moirémönstret uppnår detta krav. Utan det, de små excitonerna, som antas vara mindre än 2 nanometer i diameter, kan spridas var som helst i urvalet - vilket gör det omöjligt att spåra enskilda excitoner och den information de har. Medan forskare tidigare hade utvecklat komplexa och känsliga metoder för att fånga flera excitoner nära varandra, moirémönstret som utvecklats av UW-ledda teamet är i huvudsak en naturligt bildad 2-D-array som kan fånga hundratals excitoner, om inte mer, var och en fungerar som en kvantpunkt, en första i kvantfysik.

En unik och banbrytande egenskap hos detta system är att egenskaperna hos dessa fällor, och därmed excitonerna, kan styras av en vridning. När forskarna ändrade rotationsvinkeln mellan de två olika 2-D-halvledarna, de observerade olika optiska egenskaper i excitoner. Till exempel, excitoner i prover med vridningsvinklar på noll och 60 grader visade påfallande olika magnetmoment, samt olika heliketer för polariserat ljusemission. Efter att ha undersökt flera prover, forskarna kunde identifiera dessa vridvinkelvariationer som "fingeravtryck" av excitoner fångade i ett moirémönster.

I framtiden, forskarna hoppas kunna systematiskt studera effekterna av små vridvinkelvariationer, som kan finjustera avståndet mellan excitonfällorna - äggkartongen gropar. Forskare kan ställa in moirémönsterets våglängd tillräckligt stor för att sondera excitoner isolerat eller tillräckligt små för att excitoner ska placeras nära varandra och kan "prata" med varandra. Denna första precision i sitt slag kan låta forskare undersöka de kvantmekaniska egenskaperna hos excitoner när de interagerar, som kan främja utvecklingen av banbrytande teknik, sa Xu.

"I princip, dessa moirépotentialer kan fungera som matriser av homogena kvantpunkter, "sa Xu." Denna artificiella kvantplattform är ett mycket spännande system för att utöva precisionskontroll över excitoner - med konstruerade interaktionseffekter och möjliga topologiska egenskaper, vilket kan leda till nya typer av enheter baserade på den nya fysiken. "

"Framtiden är mycket rosig, "Tillade Xu.