Trappole quantistiche regolabili per eccitoni

L'ETH produce le sue trappole per eccitoni impacchettando un sottile strato di materiale semiconduttore, il diseleniuro di molibdeno, tra due isolanti e aggiungendo un elettrodo in alto e in basso (vedi figura). L'elettrodo superiore copre solo una parte del materiale. Quando viene applicata una tensione, si crea un campo elettrico la cui intensità dipende dalla posizione nel materiale. Questo, a sua volta, provoca l'accumulo di buchi con carica positiva nel semiconduttore direttamente sotto l'elettrodo superiore, mentre gli elettroni con carica negativa si accumulano altrove. Si crea quindi un campo elettrico anche tra queste due zone nel piano del materiale semiconduttore.

Quantificazione del movimento dell'eccitone

"Questo campo elettrico, che cambia fortemente a breve distanza, può intrappolare gli eccitoni nel materiale in modo molto efficace", spiega Deepankur Thureja, dottorando e primo autore dello studio, che ha condotto gli esperimenti insieme a Murthy. Sebbene gli eccitoni siano elettricamente neutri, possono essere polarizzati dai campi elettrici. Ciò significa che l'elettrone e la buca dell'eccitone vengono allontanati leggermente. Questo crea un campo di dipolo elettrico che interagisce con il campo esterno e quindi esercita una forza sull'eccitone.

Per dimostrare sperimentalmente che questo principio funziona davvero, i ricercatori hanno fatto brillare sul materiale una luce laser di diverse lunghezze d'onda e hanno misurato la riflessione della luce in ogni caso. Hanno osservato una serie di risonanze, ossia lunghezze d'onda alle quali la luce veniva riflessa più fortemente del previsto. Queste risonanze potevano essere regolate anche modificando la tensione applicata agli elettrodi. "Questo è stato per noi un chiaro segno del fatto che i campi elettrici creano una trappola per gli eccitoni e che il movimento degli eccitoni è quantizzato", spiega Thureja. Quantizzato significa che gli eccitoni possono assumere solo stati energetici molto specifici, come gli elettroni in un atomo. Dalle posizioni delle risonanze, Imamoğlu e i suoi collaboratori hanno potuto concludere che la trappola di eccitoni generata dai campi elettrici aveva una dimensione inferiore ai dieci nanometri.

Applicazioni nell'elaborazione dell'informazione quantistica

Questi eccitoni fortemente intrappolati sono estremamente importanti sia per le applicazioni pratiche che per le questioni fondamentali, spiega Murthy: "Le trappole per eccitoni controllabili elettricamente erano in precedenza un anello mancante della catena". Ora, per esempio, è possibile per la fisica allineare molti eccitoni intrappolati e regolarli in modo che emettano fotoni con esattamente le stesse proprietà. "Questo potrebbe essere utilizzato per produrre sorgenti identiche di singoli fotoni per l'elaborazione di informazioni quantistiche", spiega Murthy. E Imamoğlu aggiunge: "Queste trappole aprono anche nuove prospettive per la ricerca fondamentale. Tra l'altro, ci permetteranno di studiare gli stati di non-equilibrio degli eccitoni fortemente interagenti". "