Team slaagt erin om trionen dynamisch te besturen met een golfgeleider

Dingen gaan niet altijd zoals men in werkelijkheid wil. Dit geldt vooral in de wereld van het licht. Een onderzoeksteam van POSTECH heeft echter met succes “trions” gecontroleerd, een doorbraak in de ontwikkeling van wat uiteindelijk revolutionaire optische communicatietechnologie zou kunnen zijn.

Het team van onderzoekers onder leiding van professor Kyoung-Duck Park en Ph.D. kandidaat Hyeongwoo Lee van de afdeling Natuurkunde van POSTECH is erin geslaagd zeer zuivere trionen te produceren door een plasmonische golfgeleider op nanoschaal te gebruiken en de locatie te regelen waarop de deeltjes zijn gemaakt.

Excitonen worden gevormd wanneer licht wordt gefocusseerd op halfgeleidermateriaal. Het exciton, een binding van een elektron en een gat, is elektrisch neutraal. Toevoeging van nog een elektron aan een exciton maakt een trion. Hoewel beide deeltjes worden gebruikt om optische communicatieapparaten en zonnecellen van de volgende generatie te maken, bieden trionen meer voordelen dan excitonen. Ze zijn beter voor praktische apparaattoepassingen omdat ze bestuurbaar zijn met een elektrisch veld en een zwakkere bindingsenergie hebben.

Het team gebruikte een “plasmonische golfgeleider op nanoschaal” met een spleetbreedte van ongeveer 200 nm om trionen te creëren. De golfgeleider helpt licht te veranderen in ‘plasmonen’, een fenomeen van collectieve elektronenoscillaties. Het beperkt plasmonen ook sterk in een ruimte die kleiner is dan de golflengte van licht om ze naar de gewenste locatie te transporteren.

Wanneer een tweedimensionaal halfgeleidermateriaal op de golfgeleider wordt overgebracht, wordt het materiaal langs de groef op de golfgeleider uitgerekt. Door licht op het 2D-materiaal te focussen, worden excitonen in de halfgeleider gevormd en deze stromen naar het midden van de golfgeleider, net als water dat door een trechter wordt gegoten. De hoge energie van plasmonen helpt de elektronen in het metalen deel van de golfgeleider naar de halfgeleider te transporteren. De getransporteerde elektronen bewegen zich vervolgens naar het midden van de golfgeleider om zich te binden met excitonen, waardoor uiteindelijk trionen ontstaan.

Het team controleerde ook met succes de locatie waar trionen worden gemaakt door plasmonen ruimtelijk te besturen met de combinatie van adaptieve optica en nano-optica. Met deze technologie konden de onderzoekers zowel plasmonen als trionen produceren op de gewenste plek op de plasmonische golfgeleider.

Dit onderzoek is belangrijk omdat “licht” werd gebruikt in plaats van “elektriciteit”. De passage waar licht langs beweegt, hielp bij het vinden van een oplossing voor de ontwikkeling van optische apparaten. Het is ook veelzeggend dat het onderzoek verschillende disciplines samenbracht: “excitoniek” dat deeltjes zoals excitonen bestudeert en “plasmonics” dat plasmonen verkent. Wanneer we onze grenzen tegenkomen, hebben we de neiging om een ​​oplossing te vinden binnen ons vakgebied. Het team dacht echter buiten de gebaande paden om een ​​oplossing te vinden op basis van de convergentie van verschillende disciplines.

De onderzoeksresultaten zullen naar verwachting in hoge mate bijdragen aan een efficiënte besturing van op trionen gebaseerde optische apparaten en de ontwikkeling van zeer efficiënte apparaten voor het optisch omzetten van energie. Hyeongwoo Lee, de eerste auteur van het artikel, zei: “Ik denk dat het onderzoek een nieuw fysisch concept heeft gedefinieerd dat trionen in nanoschaalruimten kan creëren en besturen. Op basis van de onderzoeksresultaten schets ik onderzoek naar een breed gebied van informatie en communicatie technologie met halfgeleiderdeeltjes.”

De plasmonische golfgeleider is vervaardigd door een team onder leiding van Hyuck Choo, executive vice president van Samsung Electronics; de pre-analyse van de monsters werd uitgevoerd door een team onder leiding van professor Hong Seok Lee en professor Sangmin An van de Jeonbuk National University; de materialen die in het experiment werden gebruikt, werden voorbereid door een team onder leiding van professor Ki Kang Kim van de Sungkyunkwan University; en metingen werden uitgevoerd samen met Yeonjeong Koo, Huitae Joo en Mingu Kang van de afdeling Natuurkunde van POSTECH.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.