Forskare vid ETH Zürich har för första gången lyckats fånga excitoner – kvasipartiklar som består av negativt laddade elektroner och positivt laddade hål – i ett halvledarmaterial med hjälp av kontrollerbara elektriska fält. Den nya tekniken är viktig för att skapa enskilda fotonkällor såväl som för grundforskning.

I halvledarmaterial kan elektrisk ström ledas både av elektroner och av positivt laddade hål, eller saknade elektroner. Ljus som träffar materialet kan också excitera elektroner till ett högre energiband, vilket lämnar efter sig ett hål i det ursprungliga bandet. Genom elektrostatisk attraktion kombineras nu elektronen och hålet för att skapa en så kallad exciton, en kvasipartikel som i sin helhet beter sig som en neutral partikel. På grund av deras neutralitet har det hittills varit svårt att hålla excitoner vid en specifik punkt inuti ett material.

Ett team av vetenskapsmän ledda av Ataç Imamoğlu, professor vid fysikavdelningen, Puneet Murthy, postdoc i hans grupp, och David Norris, professor vid avdelningen för maskin- och processteknik, har nu för första gången lyckats fånga excitoner i en liten rymden med hjälp av kontrollerbara elektriska fält, och demonstrerar även kvantiseringen av deras rörelse. Forskarna hoppas att deras resultat, nyligen publicerade i den vetenskapliga tidskriften Nature , kommer att leda till framsteg mot tillämpningar inom optisk teknik såväl som till nya insikter om grundläggande fysiska fenomen.

Ett viktigt gränssnitt

"Excitoner spelar en viktig roll i gränssnittet mellan halvledare och ljus", säger Murthy. De används till exempel i ljussensorer, solceller eller till och med nya enfotonkällor för kvantteknik. Att fånga dem på ett kontrollerat sätt har varit ett ambitiöst mål för forskningen inom fast tillståndsfysik i många år.

Forskarna vid ETH skapar sina excitonfällor genom att lägga ett tunt lager av halvledarmaterialet molybdendiselenid mellan två isolatorer och lägga till en elektrod på toppen och botten. I denna konfiguration täcker den övre elektroden endast en del av materialet. Som ett resultat skapar applicering av en spänning ett elektriskt fält vars styrka beror på positionen inuti materialet. Detta leder i sin tur till att positivt laddade hål samlas inuti halvledaren direkt under den övre elektroden, medan negativt laddade elektroner samlas på andra ställen. I halvledarens plan uppstår alltså ett elektriskt fält mellan dessa två zoner.

Kvantiserad excitonrörelse

"Detta elektriska fält, som förändras kraftigt över en kort sträcka, kan mycket effektivt fånga excitonerna i materialet", förklarar Deepankur Thureja, Ph.D. student och huvudförfattare till uppsatsen som utförde experimenten tillsammans med Murthy. Även om excitonerna är elektriskt neutrala kan de polariseras av elektriska fält, vilket innebär att elektronen och hålet i excitonen dras lite längre isär. Detta resulterar i ett elektriskt dipolfält, som samverkar med det yttre fältet och därmed utövar en kraft på excitonen.

För att experimentellt visa att denna princip faktiskt fungerar, belyste forskarna materialet med laserljus av olika våglängder och mätte ljusreflektionen i varje enskilt fall. När de gjorde det observerade de en serie resonanser, vilket innebar att ljuset vid vissa våglängder reflekterades starkare än förväntat. Vidare kan resonanserna justeras genom att ändra spänningen på elektroderna. "För oss var det ett tydligt tecken på att de elektriska fälten skapade en fälla för excitonerna, och att rörelsen av excitonerna inuti den fällan kvantiserades", säger Thureja. Kvantiserad här betyder att excitonerna bara kan anta vissa väldefinierade energitillstånd, ungefär som elektroner inuti en atom. Från positionerna för resonanserna kunde Imamoğlu och hans medarbetare dra slutsatsen att excitonfällan som skapades av de elektriska fälten var mindre än tio nanometer bred.

Applikationer inom kvantinformationsbehandling

Sådana starkt fångade excitoner är extremt viktiga både för praktiska tillämpningar och grundläggande frågor, säger Murthy:"Elektriskt styrbara excitonfällor var en saknad länk i kedjan fram till nu." Till exempel kan fysiker nu dra ihop många sådana fångade excitoner och justera dem på ett sådant sätt att de avger fotoner med exakt samma egenskaper. "Det skulle tillåta en att skapa identiska enstaka fotonkällor för kvantinformationsbehandling," förklarar Murthy. Och Imamoğlu tillägger:"Dessa fällor öppnar också upp nya perspektiv för grundforskning. Bland annat kommer de att göra det möjligt för oss att studera icke-jämviktstillstånd av starkt interagerande excitoner." + Utforska vidare

"Exciton-surfing" kan möjliggöra nästa generations energi-, dator- och kommunikationsteknik