Новые идеи, полученные в результате применения новой техники, могут позволить исследователям получить доступ к поразительным "коллективным" квантовым явлениям в этом семействе материалов и создать сверхэнергосберегающие и высокопроизводительные технологии будущего.

Ключом к созданию квантовой коробки было использование "маленького" 2D-материала (дисульфата вольфрама) поверх "большой" гетероструктуры, содержащей тот же материал. Это позволило исследователям тщательно исследовать и сравнить свойства поляритонов, захваченных в коробке, и свободно движущихся поляритонов.

"Мы смогли продемонстрировать, что поляритоны, которые формируются в любом месте снаружи квантовая коробка может перемещаться на многие микрометры, попадать в ловушку и накапливаться внутри коробки", - объяснил ведущий исследователь доктор Маттиас Вурдак (Австралийский национальный университет).

Зачем нам нужны большие плотности поляритонов

Экситон-поляритоны являются многообещающей платформой для будущей электроники со сверхнизкими энергиями, поскольку они могут протекать без какого-либо рассеивания энергии впустую, в полностью "когерентном" квантовом состоянии.

Новые двумерные атомарно-тонкие полупроводники (TMDC) являются многообещающими кандидатами для таких будущих технологий, поскольку экситоны стабильны в этих материалах при комнатной температуре.

(Работа при комнатной температуре важна в любой жизнеспособной альтернативной технологии с низким энергопотреблением, чтобы энергия, необходимая для переохлаждения устройства, не перевешивала выгоды.)

"Однако этот "бесдиссипационный" перенос требует фазового перехода в макроскопически когерентное квантовое состояние, которое происходит только при очень больших плотностях частиц, труднодоступных в двумерных полупроводниках", - объясняет руководитель группы профессор Елена Островская (также из ANU).

"Новый метод позволяет исследователям ANU создавать высокие плотности поляритонов в сконструированном "квантовом ящике"".

Экситонные поляритоны: Краткое объяснение

"Экситон" представляет собой связанную электронно-дырочную пару и может быть создан в полупроводнике с прямой запрещенной зоной, где фотовозбужденный электрон в зоне проводимости связывается с положительно заряженной электрон-вакансией (дыркой) в валентной зоне.

Смешивание этих экситонов со светом приводит к образованию востребованных гибридных частиц легкой материи, называемых "экситон-поляритонами", которые могут проходить через полупроводник без рассеивания энергии в виде тепла.

"Смешивание" достигается путем размещения двумерного полупроводника внутри микрополости, состоящей из двух зеркал, разделенных несколькими сотнями нанометров, которые ограничивают свет.

В таком устройстве экситоны в двумерном полупроводнике могут сильно связываться с ограниченным светом, образуя экситон-поляритоны (часто называемые просто "поляритонами").

Как построить квантовую коробку

В устройстве с микрополостью/гетероструктурой экситон-поляритоны, взаимодействующие друг с другом, могут претерпевать фазовый переход в квантовое состояние без рассеяния конденсата Бозе-Эйнштейна (BEC) или сверхтекучей среды, которое может быть использовано в будущих технологиях.

Этот фазовый переход может быть достигнут при комнатной температуре при достаточно больших плотностях частиц.

Популярный метод увеличения плотности частиц и, следовательно, взаимодействия поляритонов заключается в пространственном ограничении их внутри квантового ящика.

Однако создать квантовую коробку для экситонных поляритонов в 2D-материалах сложно, поскольку эти материалы чрезвычайно хрупки и их легко повредить с помощью обычных методов нанопроизводства.

Исследователи FLEET / ANU нашли новый способ построить такую квантовую коробку механически, без необходимости в машинах для нанообработки, которые подвергают хрупкие 2D-материалы воздействию горячих и абразивных частиц.

Это было сделано путем размещения "небольшого" монослоя дисульфида вольфрама TMDC (WS₂), поверх "большого" WS₂ монослой, разделенный ультратонким Ga₂O₃ стекло, внутри зеркальной микрополости.

"Малый" и "большой" размеры относятся к длине волны частицы экситон-поляритон.

Меньший слой создает "потенциальную яму", потому что в его границах существует более сильная связь экситона со светом, которая лишает поляритоны потенциальной энергии, так что теперь у них недостаточно энергии, чтобы покинуть яму.

Конструкция позволяет исследователям накапливать и удерживать поляритоны внутри "коробчатой" ловушки, образованной потенциальной ямой, тем самым значительно увеличивая плотность поляритонов внутри коробки.

Исследование подтверждает шаг к желаемому квантовому состоянию

Исследователи смогли сравнить характеристики поляритонов как внутри, так и за пределами коробчатой ловушки.

Они обнаружили, что захват приводит к перераспределению энергии в сторону более низких энергетических состояний, сигнализируя о продвижении к желаемым квантовым состояниям BEC и сверхтекучести.

Кроме того, исследователи обнаружили, что захват значительно повышает макроскопическую когерентность поляритонов еще до достижения фазы BEC.

Это происходит потому, что ограниченный свет живет намного дольше, чем WS₂ экситоны, и захват сильно уменьшает фазовые флуктуации поляритонного газа.

Примечательно, что повышенная когерентность в ловушке также достигалась, когда поляритоны создавались исключительно за пределами области захвата и заполняли ловушку, перемещаясь к ней по образцу.

Новые материалы

Полупроводники, использованные в этом исследовании, принадлежат к семейству кристаллов дихалькогенидов переходных металлов (TMDC), которые представляют собой слоистые кристаллы, слабо связанные ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями (аналогично графиту в карандашах).

Поскольку связи между слоями настолько слабы, исследователи могут относительно просто "разжижить" эти кристаллы, используя метод "скотча" - впервые, как известно, использованный Геймом и Новоселовым для выделения 2D-графена в 2010 году.

При истончении до предела монослоя (т.е. толщиной в один атом) свет с определенной длиной волны сильно взаимодействует с монослоями, непосредственно создавая экситоны. (Этот процесс не происходит в объемных кристаллах.)

2D TMDC считаются многообещающими платформами для будущих технологий, поскольку экситоны в этих материалах стабильны при комнатной температуре.

Однако экситоны в TMDC обладают лишь слабыми эффективными взаимодействиями друг с другом, что делает труднодоступными "коллективные" квантовые явления, такие как BEC и сверхтекучесть.

"В то время как экситоны в TMDC сильно взаимодействуют со светом, образуя экситон-поляритоны, экситон-поляритоны в TMDC взаимодействуют друг с другом лишь слабо", - объясняет Маттиас. "Очень высокая плотность поляритонов могла бы стать способом обойти эту проблему".