Ett UMD-ledt team av forskare har utvecklat en metod för att fånga trioner vid rumstemperatur i enväggiga kolnanorör. I denna fotoluminescensspektroskopi bild, fångade trioner och excitoner kan ses som ljusröda fläckar mot de mörkblå bakgrundsutsläppen från värd -nanoröret. Detta nya arbete gör det möjligt att manipulera kvasipartiklar som trioner och studera deras grundläggande egenskaper på sätt som aldrig har varit möjliga tidigare. Upphovsman:Hyejin Kwon
Trioner består av tre laddade partiklar bundna av mycket svag bindningsenergi. Även om trioner potentiellt kan bära mer information än elektroner i applikationer som elektronik och kvantberäkning, trioner är vanligtvis instabila vid rumstemperatur, och bindningarna mellan trionpartiklarna är så svaga att de snabbt faller isär. Mest forskning om trioner kräver underkylda temperaturer, och även då, deras flyktiga natur har gjort trioner svåra att kontrollera och svåra att studera.
Ett team av forskare som leds av University of Maryland har upptäckt en metod för att på ett tillförlitligt sätt syntetisera och fånga trioner som förblir stabila vid rumstemperatur. Forskningen gör det möjligt att manipulera trioner och studera deras grundläggande egenskaper. Arbetet beskrivs i en forskningsartikel publicerad den 16 oktober, 2019, i tidningen ACS Central Science .
"Detta arbete gör syntetisering av trioner mycket effektivt och ger en metod för att manipulera dem på sätt som vi inte har kunnat tidigare, "sa YuHuang Wang, professor i kemi och biokemi vid UMD och seniorförfattare till tidningen. "Med förmågan att stabilisera och fånga trioner, vi har potential att bygga ett mycket rent system för att studera processer som reglerar ljusemitterande dioder och solceller och för att utveckla kvantinformationsteknik. "
I den nya studien, Wang och hans kollegor använde en kemisk reaktion för att skapa defekter på ytan av enväggiga kolnanorör. Defekterna orsakar fördjupningar i energilandskapet på nanorörets ledande yta. Dessa fördjupningar kan ses som brunnar som laddade partiklar som strömmar förbi kan ramla in och fastna inuti.
Efter att ha skapat defekterna, forskarna riktade fotoner mot nanorören och observerade ljus luminescens vid defektplatser. Varje blixt av luminescens vid en karakteristisk våglängd indikerade att en elektron och en partikel som kallas exciton hade fastnat vid ett defekt ställe och bundits samman till en trion.
En kemisk defekt i ett enväggigt kolnanorör skapar en depression i nanorörets energilandskap. När laddade partiklar flödar över nanorörets ledande yta, de kan hamna i denna depression. Här, en exciton (övre vänster) och en elektron (övre högra) hamnar i en depression, bli bundna till en trion och fångas. När trion förfaller, den släpper ut en foton som kan ses som en ljusblixt av luminescens Kredit:Hyejin Kwon
Excitonerna skapades när forskarna riktade fotoner mot kolnanorören. När en kolnanorör absorberar en foton, en elektron i nanoröret pumpas från marktillståndet till ett upphetsat tillstånd, lämnar ett hål som är positivt laddat. Hålet och elektronen är tätt sammanbundna, bildar ett elektronhålspar som kallas exciton. Enligt forskarna, när en exciton och en elektron faller i en brunn skapad av den kemiska defekten, de binder ihop till en trion bestående av två elektroner och ett hål. När trion förfaller, det släpper ut en foton, vilket resulterar i den ljusa luminescens som forskarna observerade.
"Det är nästan som att föra in atomfysiken i ett kemilaboratorium, "sa Wang, "eftersom brunnen som härrör från den kemiska defekten fungerar som en slags atomskala för en enda" bindning "-händelse. Vad är mycket spännande, är att trionens energinivå dikteras av brunnen, och vi kan använda kemiska reaktioner för att manipulera brunnen. Det betyder att vi potentiellt kan styra energi och stabilitet hos trioner. "
Wang sa att genom att ändra egenskaperna hos den kemiska defekten som skapas på ytan av nanoröret, det kan bli möjligt att exakt manipulera avgiften, elektronspinn och andra egenskaper hos trionerna som de fångar. De fångade trionerna Wang och hans medarbetare observerade i denna studie var mer än sju gånger ljusare än de ljusaste trionerna någonsin rapporterat, och de varade mer än 100 gånger längre än fria trioner.
Wang och hans team avser att fortsätta utveckla sina metoder för att exakt styra syntesen av trioner vid avsiktligt skapade defekter på kolnanorör och studera de grundläggande fotofysikerna och optiska egenskaperna hos trioner.
Möjligheten att på ett tillförlitligt sätt skapa stabila trioner med specifika egenskaper kommer att ha breda konsekvenser för teknik som bioimaging, kemisk avkänning, energi skörd, solid state computing och quantum computing.
"Det är intressant att en defekt inte alltid är negativ, och i vårt fall kan leda till helt nya sätt att generera trioner och bedriva grundläggande forskning om dessa kvasipartiklar, "sade en av studiens ledande författare Hyejin Kwon (Ph.D. '16, kemi), som nu gör sin postdoktorala forskning vid University of Colorado. Kwon ledde studien tillsammans med Mijin Kim (Ph.D. '18, kemi), som nu är postdoktor vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center.
