Σκοτεινά εξιτόνια: Επιστήμονες κάνουν αόρατες καταστάσεις φωτός να λάμπουν 300.000 φορές πιο έντονα

Στον κόσμο των υπέρλεπτων ημιαγωγών, παράξενες μορφές φωτός και ύλης αλληλεπιδρούν με τρόπους που μοιάζουν σχεδόν μυστηριώδεις. Ανάμεσά τους ξεχωρίζουν τα σκοτεινά εξιτόνια, ένα εύθραυστο ζεύγος ηλεκτρονίου και της «τρύπας» που αφήνει πίσω του όταν απομακρύνεται.

Αυτά τα ζεύγη σχηματίζονται όταν φως αγγίζει υλικά πάχους ενός ατόμου, όπως το δισηληνίδιο του βολφραμίου, όμως σπάνια γίνονται αντιληπτά επειδή τα σπιν τους δεν ευθυγραμμίζονται σωστά για να εκπέμψουν φως. Έτσι παραμένουν «σιωπηλά», ζουν περισσότερο και προσελκύουν το ενδιαφέρον των ερευνητών για τις μελλοντικές εφαρμογές τους στην κβαντική τεχνολογία και τις φωτονικές συσκευές.

Η δυσκολία στη μελέτη τους ήταν χρόνια, καθώς ανταποκρίνονται ελάχιστα στα κλασικά οπτικά εργαλεία, ενώ προηγούμενες προσπάθειες εντοπισμού τους παρήγαγαν μπερδεμένα σήματα που συχνά οφείλονταν σε άσχετα φαινόμενα. Οι επιστήμονες διαφωνούσαν για το αν πράγματι έβλεπαν σκοτεινά εξιτόνια ή απλώς πειραματικούς «θορύβους». Το πεδίο χρειαζόταν μια καθαρή λύση.

Μια νανοσυσκευή που αποκαλύπτει το αόρατο

Ερευνητές από το City University of New York και το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν κατασκεύασαν μια δομή τόσο μικρή που θα χώραγε μέσα σε έναν ιό. Δημιούργησαν ένα οπτικό «κοιλότητα» από νανοκύβους χρυσού τοποθετημένους πάνω από ένα μονοατομικό φύλλο δισηληνιδίου του βολφραμίου.

Ανάμεσά τους τοποθέτησαν λεπτά στρώματα νιτριδίου του βορίου, τα οποία προστάτευαν το υλικό από ανεπιθύμητα ηλεκτρικά φορτία και κρατούσαν καθαρές τις φασματικές του γραμμές.

Το κενό μεταξύ των υλικών είχε πάχος κάτω από 15 νανόμετρα. Σε αυτό το μικροσκοπικό διάστημα το φως συγκεντρωνόταν σε ένα ισχυρό κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο ήταν ακριβώς αυτό που απαιτείται για να διεγερθούν τα σκοτεινά εξιτόνια. Με αυτή τη διάταξη, οι ερευνητές δημιούργησαν τον ιδανικό χώρο όπου οι «κρυφές» καταστάσεις θα μπορούσαν επιτέλους να αποκαλυφθούν.

Όταν ψύχισαν τα δείγματα σε κρυογενικές θερμοκρασίες, η αλλαγή ήταν άμεση. Σημεία του δείγματος κάτω από χρυσούς κύβους 90 νανομέτρων άρχισαν να φωτίζονται με νέες φασματικές κορυφές που δεν είχαν εμφανιστεί ποτέ ξανά.

Μια νέα οικογένεια σκοτεινών εξιτονίων

Από το υλικό εμφανίστηκαν εννέα εξαιρετικά λεπτές φασματικές κορυφές, αποτέλεσμα των σκοτεινών εξιτονίων που διαθέτουν διπόλια εκτός επιπέδου και τώρα μπορούσαν να «λάμψουν» χάρη στο ενισχυμένο πεδίο στη νανοσχισμή.

Οι γραμμές τους ήταν ακόμη πιο στενές από εκείνες των φωτεινών εξιτονίων και η διάρκεια ζωής τους έφτανε το μισό νανοδευτερόλεπτο. Η ομάδα επιβεβαίωσε ότι δεν επρόκειτο ούτε για ατέλειες, ούτε για μεμονωμένους εκπομπούς φωτονίων, ούτε για φορτισμένα σωματίδια – προβλήματα που είχαν μπερδέψει παλαιότερες μελέτες.

Η ένταση των νέων αυτών σκοτεινών εξιτονίων ξεπέρασε κάθε προσδοκία. Σε ένα δείγμα το ισχυρότερο ήταν 1.400 φορές πιο φωτεινό από το αντίστοιχο φωτεινό εξιτόνιο, ενώ σε άλλο έφτασε τις 2.700 φορές. Υπολογίζοντας την ενίσχυση σε σχέση με το μέγεθος των νανοκύβων, η ομάδα κατέληξε σε συντελεστές που αγγίζουν το 300.000. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτή είναι μία από τις μεγαλύτερες ενισχύσεις φωταύγειας που έχουν παρατηρηθεί σε χρυσές νανοκοιλότητες οποιουδήποτε φωτονικού υλικού.

Μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία αποκαλύπτουν νέες ιδιότητες

Με τα εξιτόνια πλέον ορατά, οι ερευνητές εφάρμοσαν μαγνητικά πεδία για να μελετήσουν τη συμπεριφορά τους. Όταν το μαγνητικό πεδίο εφαρμόστηκε κάθετα στο υλικό, κάθε σκοτεινό εξιτόνιο χωρίστηκε σε δύο γραμμές, ακριβώς όπως προβλέπει το φαινόμενο Zeeman. Όλες οι νέες κορυφές είχαν τον ίδιο παράγοντα g ίσο με 9,3, χαρακτηριστικός για αυτή την κατηγορία εξιτονίων.

Όταν το πεδίο εφαρμόστηκε παράλληλα στο υλικό, τα ενισχυμένα σκοτεινά εξιτόνια εξασθένησαν, ενώ τα συνηθισμένα σκοτεινά εξιτόνια – που υπό κανονικές συνθήκες δεν φαίνονται – ενισχύθηκαν. Αυτή η «διαμάχη» έδειξε ότι η νέα οικογένεια προέρχεται αποκλειστικά από το περιβάλλον που δημιουργεί η νανοκοιλότητα.

Η ομάδα ανακάλυψε επίσης ότι μπορεί να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει αυτά τα εξιτόνια με μικροσκοπικές αλλαγές ηλεκτρικού φορτίου. Χρησιμοποιώντας φύλλο χρυσού και γραφενίου ως ηλεκτρικές πύλες, μετακίνησαν ελαφρά το επίπεδο Fermi του υλικού και παρατήρησαν τις αντίστοιχες αλλαγές στα εξιτόνια. Η κύρια κορυφή εξαφανιζόταν έξω από ένα πολύ στενό εύρος φόρτισης, ενώ μια κατάσταση γνωστή ως σκοτεινό τρίον μεταβαλλόταν μεταξύ θετικής και αρνητικής μορφής με μια μικρή μεταβολή τάσης.

Προς κβαντικές συσκευές μικροτσίπ

Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύτηκαν στο Nature Photonics, δίνουν στους επιστήμονες έναν καθαρό, άμεσο τρόπο να φωτίσουν και να ελέγξουν εξιτόνια που παρέμεναν «κρυμμένα» από τότε που εμφανίστηκαν τα δισδιάστατα υλικά.

Ο επικεφαλής της μελέτης Αντρέα Αλού δήλωσε ότι η εργασία αποδεικνύει πως καταστάσεις φωτός και ύλης που θεωρούνταν απρόσιτες μπορούν πλέον να ενεργοποιηθούν και να καθοδηγηθούν. Ο πρώτος συγγραφέας, Τζιαμίν Κουάν, υπογράμμισε ότι πρόκειται μόνο για την αρχή μιας πολύ μεγαλύτερης προσπάθειας να αποκαλυφθούν ξεχασμένες καταστάσεις σε υλικά πάχους ενός ατόμου.

Η μελέτη λύνει και μια παλιά διαμάχη. Προηγούμενες έρευνες με πλασμονικές δομές είχαν δώσει σήματα που έμοιαζαν με σκοτεινά εξιτόνια, αλλά αργότερα αποδείχθηκαν φορτισμένες καταστάσεις που δημιουργούνταν από μεταφορά ηλεκτρονίων μεταξύ μετάλλου και ημιαγωγού. Η νέα προσέγγιση αποφεύγει αυτά τα προβλήματα χάρη στα καθαρά στρώματα νιτριδίου του βορίου, τα οποία σταθεροποιούν το υλικό και διατηρούν τα εξιτόνια στην αυθεντική τους μορφή.

Οι πρακτικές εφαρμογές της ανακάλυψης

Η δυνατότητα ενίσχυσης σκοτεινών εξιτονίων με τέτοια ακρίβεια μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία ταχύτερων και αποδοτικότερων φωτονικών κυκλωμάτων. Τα μακρόβια αυτά σωματίδια είναι ιδανικά για κβαντική επικοινωνία επειδή παρουσιάζουν αντοχή στον θόρυβο του περιβάλλοντος. Η ευαισθησία τους σε μικρές ηλεκτρικές μεταβολές ανοίγει τον δρόμο για νανομετρικούς διαμορφωτές και αισθητήρες χαμηλής κατανάλωσης.

Οι μέθοδοι αυτές μπορούν να επεκταθούν και σε υλικά moiré ή σε άλλες προηγμένες πλατφόρμες ημιαγωγών, όπου σχεδιασμένα σκοτεινά εξιτόνια ίσως αποτελέσουν τη βάση για ρυθμιζόμενες κβαντικές επιφάνειες, νέες τεχνολογίες απεικόνισης και ασφαλή συστήματα επικοινωνίας.