在工程量子盒中捕获极化子:通向未来超节能技术的可能途径

更深入地了解冰冷的深处

澳大利亚研究人员已经为二维材料中的极化子设计了一个量子盒,实现了大极化子密度和部分“相干”量子态。

来自新技术的新见解可以让研究人员在这个材料家族中获得惊人的“集体”量子现象,并实现超节能和高性能的未来技术。

构建量子盒的关键是在包含相同材料的“大”异质结构之上使用“小”二维材料(二硫酸钨)。 这使研究人员能够仔细研究和比较被困在盒子中的极化子和自由移动的极化子的性质。

“我们已经能够证明在任何地方形成的极化子 外部 量子盒子可以行进许多微米,然后被困在盒子里并在盒子里积聚,”首席研究员 Matthias Wurdack 博士(澳大利亚国立大学)解释说。

为什么我们需要大极化子密度

激子极化子是未来超低能量电子学的一个有前途的平台,因为它们可以在完全“相干”的量子态下流动而不会浪费任何能量。

新型二维原子级薄半导体 (TMDC) 是此类未来技术的有希望的候选者,因为激子在室温下在这些材料中是稳定的。

(室温操作在任何可行的替代低能耗技术中都很重要,因此过冷设备所需的能量不会超过收益。)

“然而,这种‘无耗散’传输需要相变到宏观相干的量子态,这仅发生在二维半导体中难以接近的非常大的粒子密度下,”小组负责人 Elena Ostrovskaya 教授(也在澳大利亚国立大学)解释说。

“这项新技术使澳大利亚国立大学的研究人员能够在工程‘量子盒’中创造高极化子密度。”

激子极化子:简短的解释

“激子”是束缚的电子-空穴对,可以在直接带隙半导体中产生,其中导带中的光激发电子与价带中带正电的电子空位(空穴)结合。

将这些激子与光混合会形成广受欢迎的混合光物质粒子,称为“激子极化子”,它可以穿过半导体而不会将能量耗散在热量中。

“混合”是通过将二维半导体放置在由两个镜子组成的微腔内完成的,两个镜子相隔几百纳米,从而限制了光线。

在这样的器件中,2D 半导体中的激子可以与受限光强耦合,形成激子-极化子(通常称为“极化子”)。

如何构建一个量子盒子

在微腔/异质结构器件中,相互作用的激子-极化子可以经历相变到玻色爱因斯坦凝聚体(BEC)或超流体的无耗散量子态,这可以在未来的技术中使用。

这种相变可以在室温下以足够大的粒子密度实现。

增加粒子密度并因此增加极化子相互作用的一种流行方法是将它们空间限制在量子盒内。

然而,在二维材料中构建激子极化子的量子盒是困难的,因为这些材料非常脆弱,并且使用传统的纳米制造技术很容易损坏。

FLEET/ANU 的研究人员找到了一种新方法来建造这样一个量子盒子 机械地,无需将脆弱的 2D 材料暴露于热和磨粒的纳米加工机器。

这是通过放置一个“小”单层 TMDC 二硫化钨 (WS2),在“大”WS之上2 由超薄Ga隔开的单层23 镜面微腔内的玻璃。

“小”和“大”尺寸与激子极化子的粒子波长有关。

较小的层会产生一个“势阱”,因为在其边界内,激子与光的耦合更强,这会剥夺极化子的势能,因此现在它们没有足够的能量逃离阱。

该结构允许研究人员在势阱形成的“盒子”陷阱内积累和限制极化子,从而大大增加盒子内的极化子密度。

研究证实了朝着理想量子态迈出的一步

研究人员能够比较盒式陷阱内外的极化子特性。

他们发现,捕获导致能量重新分配到较低的能量状态,这标志着朝着理想的 BEC 和超流体量子态迈进。

此外,研究人员发现捕获显着增强了极化子的宏观相干性,甚至在达到 BEC 阶段之前。

这是因为受限光比 WS 寿命长得多2 激子和俘获极大地减少了极化子气体的相位波动。

值得注意的是,当极化子仅在捕获区域之外产生并通过穿过样品向其行进来填充陷阱时,陷阱中的增强相干性也得到了实现。

新型材料

本研究中使用的半导体属于过渡金属二硫化物晶体 (TMDC) 家族,它们是通过范德华相互作用弱结合的层状晶体(类似于铅笔中的石墨)。

由于层间的键很弱,研究人员可以相对简单地使用“透明胶带”方法“稀释”这些晶体——首先,著名的方法是 Geim 和 Novoselov 在 2010 年用于分离二维石墨烯。

当减薄到单层极限(即一个原子薄)时,不同波长的光与单层强烈相互作用,直接产生激子。 (这个过程不会发生在块状晶体中。)

二维 TMDC 被认为是未来技术的有前途的平台,因为这些材料中的激子在室温下是稳定的。

然而,TMDCs 中的激子之间只有微弱的有效相互作用,使得 BEC 和超流等“集体”量子现象难以达到。

“虽然 TMDC 中的激子与光发生强烈相互作用以形成激子-极化子,但 TMDC 中的激子-极化子之间的相互作用很弱,”Matthias 解释说。 “非常高的极化子密度可能是解决这一挑战的一种方法。”

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