Ученые создали трионы при комнатной температуре
В новом исследовании ученые использовали химическую реакцию для создания дефектов на поверхности одностенных углеродных нанотрубок
Квазичастицы Трионы состоят из трех заряженных частиц, связанных друг с другом очень слабой энергией связи. Хотя трионы потенциально могут нести больше информации, чем электроны, в таких приложениях, как электроника и квантовые вычисления, трионы обычно нестабильны при комнатной температуре, а связи между частицами трионов настолько слабы, что очень быстро распадаются.
Большинство исследований трионов требует сверхнизких температур, и даже тогда их мимолетная природа делает трионы трудными для контроля и для изучения.
Теперь команда исследователей из Университета штата Мэриленд обнаружила метод, позволяющий надежно синтезировать и удерживать трионы, которые остаются стабильными при комнатной температуре. Исследование позволяет манипулировать трионами и изучать их фундаментальные свойства. Работа описана в исследовательской работе, опубликованной в журнале ACS Central Science.
«Наша работа делает синтез трионов очень эффективным и предоставляет метод для манипулирования ими так, как мы не могли раньше», — сказал Ю Хуан Ван, профессор химии и биохимии в UMD и старший автор статьи. «Благодаря способности стабилизировать и улавливать трионы у нас есть потенциал для создания очень чистой системы для изучения процессов, регулирующих светоизлучающие диоды и фотогальванику, и для развития квантовых информационных технологий».
В новом исследовании ученые использовали химическую реакцию для создания дефектов на поверхности одностенных углеродных нанотрубок. Дефекты вызывают углубления в энергетическом ландшафте проводящей поверхности нанотрубки. Эти депрессии можно рассматривать как колодцы, в которые проходящие заряженные частицы могут упасть и попасть внутрь.
После создания дефектов исследователи направили фотоны на нанотрубки и наблюдали яркое свечение в местах дефектов. Каждая вспышка свечения на характерной длине волны указывала на то, что электрон и частица, называемая экситоном, оказались захваченными в месте дефекта и связанными вместе в трион.
Экситоны были созданы, когда исследователи направляли фотоны на углеродные нанотрубки. Когда углеродная нанотрубка поглощает фотон, электрон в нанотрубке переходит из основного состояния в возбужденное состояние, оставляя позади дырку, которая заряжена положительно. Дырка и электрон тесно связаны друг с другом, образуя электронно-дырочную пару, называемую экситоном.
По словам исследователей, когда один экситон и один электрон попадают в яму, созданную химическим дефектом, они связываются вместе в трион, состоящий из двух электронов и одной дырки. Когда трион распадается, он испускает фотон, что приводит к яркому свечению, которое наблюдали исследователи.
Изменяя свойства химического дефекта, созданного на поверхности нанотрубки, может стать возможным точно управлять зарядом, спином электрона и другими свойствами трионов, которые они захватывают. Уловленные в ловушке трионы были более чем в семь раз ярче, чем самые яркие трионы, когда-либо наблюдавшиеся, и жили в 100 раз дольше, чем свободные трионы.
Ученые намерены продолжить разработку методов точного управления синтезом трионов при намеренно созданных дефектах на углеродных нанотрубках и изучения фундаментальной фотофизики и оптических свойств трионов.
Способность надежно создавать стабильные трионы с определенными свойствами будет иметь широкие последствия для таких технологий, как биоинженерия, химическое зондирование, сбор энергии, твердотельные накопители и квантовые вычисления.