Trappole quantistiche regolabili per eccitoni
I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a catturare gli eccitoni - quasiparticelle costituite da elettroni con carica negativa e difetti con carica positiva - in un materiale semiconduttore con campi elettrici controllabili. La nuova tecnologia è importante sia per la produzione di sorgenti di fotoni singoli sia per la ricerca fondamentale.
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![Visualizzazione della trappola elettrica](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/elektrische-fallen-fuer-exzitonen/_jcr_content/articleLeadImage/image.imageformat.carousel.1551437904.jpg)
Nei materiali semiconduttori, l'elettricità può essere condotta sia da elettroni che da buche cariche positivamente, cioè da elettroni mancanti. L'incidenza della luce può anche trasportare gli elettroni in una banda di energia superiore, lasciando un buco nella banda originale. L'elettrone e la buca diventano ora, per attrazione elettrostatica, un cosiddetto eccitone, una quasiparticella che si comporta complessivamente come una particella neutra. A causa della loro neutralità elettrica, gli eccitoni sono stati finora difficili da localizzare in un punto specifico di un materiale.
Un team di scienziati guidato da Ataç Imamoğlu, professore del Dipartimento di fisica, Puneet Murthy, postdoc del suo gruppo, e David Norris, professore del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi dell'ETH di Zurigo, è riuscito per la prima volta a catturare eccitoni con campi elettrici controllabili in spazi piccolissimi e a dimostrare la quantificazione del loro movimento. I ricercatori sperano che questi risultati, appena pubblicati sulla rivista scientifica Nature, portino a progressi nelle applicazioni delle tecnologie ottiche e a nuove conoscenze dei fenomeni fisici fondamentali.
Interfaccia importante
"Gli eccitoni svolgono un ruolo importante nell'interfaccia tra semiconduttori e luce", spiega Murthy. Sono utilizzati, tra l'altro, nei sensori di luce, nelle celle solari e nelle nuove sorgenti a singolo fotone per le tecnologie quantistiche. Catturarli in modo controllato è da molti anni un obiettivo ambizioso della ricerca sullo stato solido.
![Visualizzazione ingrandita: Grafico della formazione della trappola elettrica](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2022/05/elektrische-fallen-fuer-exzitonen/_jcr_content/wide_content/image/image.imageformat.1286.375809042.png)
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". "
Letteratura di riferimento
Thureja D et al. Confinamento quantistico elettricamente sintonizzabile di eccitoni neutri. Nature, pubblicato online il 25 maggio 2022; doi: pagina esterna10.1038/s41586-022-04634-z