Wetenschappers laten donkere excitontoestanden schijnen door middel van nanobuistechniek

Een onderzoeksteam van de City University van New York en de Universiteit van Texas in Austin heeft een manier ontdekt om voorheen verborgen lichttoestanden, bekend als donkere excitonen, helder te laten schijnen en hun emissie op nanoschaal te beheersen. Hun bevindingen, gepubliceerd vandaag binnen Natuur Fotonicaopen de deur naar snellere, kleinere en energiezuinigere technologieën.

Donkere excitonen zijn exotische licht-materietoestanden in atomair dunne halfgeleiders die doorgaans onzichtbaar blijven omdat ze zeer zwak licht uitstralen. Deze toestanden zijn echter zeer veelbelovend voor kwantuminformatie en geavanceerde fotonische toepassingen vanwege hun unieke licht-materie-interactie-eigenschappen, lange levensduur en verminderde interactie met de omgeving, wat leidt tot verminderde decoherentie.

Om deze ongrijpbare toestanden te onthullen, heeft het team een ​​optische holte op nanoschaal ontworpen met behulp van gouden nanobuisjes en een enkele laag wolfraamdiselenide (WSe₂), een materiaal van slechts drie atomen dik. Dit ontwerp versterkte de lichtemissie van donkere excitonen maar liefst 300.000 keer, waardoor ze niet alleen zichtbaar maar ook controleerbaar werden.

“Dit werk laat zien dat we toestanden van lichte materie kunnen benaderen en manipuleren die voorheen buiten bereik waren”, zegt hoofdonderzoeker Andrea Alù van het onderzoek, een Distinguished en Einstein Professor of Physics aan het CUNY Graduate Center en oprichter en directeur van het Photonics Initiative van het Advanced Science Research Center van het CUNY Graduate Center (CUNY ASRC).

“Door deze verborgen toestanden naar believen aan en uit te zetten en ze te controleren met een resolutie op nanoschaal, openen we opwindende mogelijkheden om de volgende generatie optische en kwantumtechnologieën op disruptieve wijze vooruit te helpen, ook voor detectie en computergebruik.”

Het onderzoeksteam heeft ook aangetoond dat deze donkere toestanden op verzoek kunnen worden afgestemd met behulp van elektrische en magnetische velden, waardoor nauwkeurige controle mogelijk is voor potentiële toepassingen in on-chip fotonica, sensoren en kwantumcommunicatie. In tegenstelling tot eerdere pogingen behoudt deze aanpak de natuurlijke eigenschappen van het materiaal en wordt tegelijkertijd een recordbrekende verbetering van de koppeling tussen licht en materie bereikt.

“Onze studie onthult een nieuwe familie van spin-verboden donkere excitonen die nog nooit eerder waren waargenomen”, zegt Jiamin Quan, eerste auteur van de studie. “Deze ontdekking is nog maar het begin: het opent een pad om vele andere verborgen kwantumtoestanden in 2D-materialen te verkennen.”

Deze ontdekking lost ook een al lang bestaand debat op over de vraag of plasmonische structuren donkere excitonen werkelijk kunnen versterken zonder hun aard te veranderen wanneer ze in nauw contact komen. De auteurs hebben de uitdaging aangepakt door de plasmonische-excitonische heterostructuur zorgvuldig te ontwerpen met behulp van nanometerdunne lagen boornitride, de sleutel tot het onthullen van de nieuwe donkere excitonen die door het team zijn waargenomen.