Двумерный квантовый ящик ловит экзотические носители, готовые к оптоэлектронному действию

Экситон-поляритон представляет собой гибридную частицу, состоящую из экситона, образованного связанной электронно-дырочной парой, и фотона. Они являются «многообещающей платформой для будущей электроники со сверхнизким энергопотреблением, потому что они могут течь без потери энергии. [heat] в полностью когерентном квантовом состоянии», — говорится в сообщении университета.

Двумерные полупроводники перспективны в качестве подложек для такой электроники, поскольку экситоны в них стабильны при комнатной температуре.

«Однако этот перенос без диссипации требует фазового перехода в макроскопически когерентное квантовое состояние, которое происходит только при очень больших плотностях частиц, что труднодоступно в 2D-полупроводниках», — сказала профессор АНУ Елена Островская. «Новая техника позволяет исследователям ANU создавать поляритоны с высокой плотностью в спроектированном квантовом ящике».

В частности, электронно-дырочная пара может быть связана в полупроводнике с прямой запрещенной зоной, где фотовозбужденный электрон в зоне проводимости связывается с электроном-вакансией в валентной зоне. Смешивание этого со светом для формирования экситон-поляритона может быть выполнено в подходящем двумерном полупроводнике, заключенном внутри микрополости, состоящей из двух зеркал, разделенных несколькими сотнями нанометров, заявили в университете.

Но экситонные поляритоны естественным образом не будут слипаться с достаточной плотностью, чтобы сформировать желаемое жидкое квантовое состояние, которое представляет собой концентрат Бозе-Эйнштейна (БЭК).

Что необходимо, так это потенциальная яма в двумерном материале, в которой экситон-поляритоны могут быть массово произведены и захвачены, и это то, что сделали исследователи АНУ, используя метод «липкой ленты», впервые предложенный исследователями графена Геймом и Новоселовым.

Начиная с широкого монослоя WS₂они уложили на это тонкую чешуйку Ga₂О₃ стекло, и к тому же более мелкую (меньше длины волны экситон-поляритона) чешуйку 2D WS₂ – все это было помещено внутрь зеркальной полости.

Крошечный WS₂ чешуйка становится потенциальной ямой, так как в ее пределах происходит более сильная связь экситона со светом, что лишает поляритоны потенциальной энергии, так что у них не остается достаточно энергии, чтобы улететь.

Кроме того, команда также обнаружила, что экситон-поляритоны, созданные вблизи колодца, будут перемещаться и падать внутрь. «Мы смогли продемонстрировать, что поляритоны, которые образуются в любом месте за пределами квантового ящика, могут перемещаться на многие микрометры, задерживаться и накапливаться внутри. коробку», — сказал ведущий исследователь Маттиас Вурдак (на фото), также из АНУ.

Сравнение характеристик поляритона внутри и снаружи скважины показало, что захват приводит к перераспределению энергии в сторону более низких энергетических состояний, «сигнализируя о продвижении к желаемым квантовым состояниям БЭК и сверхтекучести», согласно ANU. «Кроме того, исследователи обнаружили, что захват значительно увеличивает макроскопическую когерентность поляритонов даже до того, как будет достигнута фаза БЭК».

Работа была выполнена под эгидой Центра передового опыта ARC в области технологий электроники с низким энергопотреблением, а Австралийский национальный университет работал с Университетом Карла фон Осиецкого в Германии. Он публикуется как «Улучшение населенности основного состояния и макроскопической когерентности WS при комнатной температуре₂ поляритоны через инженерное удержание‘ в Physical Review Letters.

Свяжитесь с доктором Матиасом Вурдаком (Австралийский национальный университет) matthias.wurdack@anu.ed.au
Связаться с профессором Еленой Островской (Австралийский национальный университет) elena.ostrovskaya@anu.edu.au
** изображения из Physical Review Letters

Аннотация