Учёные из Городского университета Нью-Йорка (CUNY) и Техасского университета в Остине совершили прорыв в управлении одним из самых трудноуловимых явлений в современной оптике — тёмными экситонами. Исследователи нашли способ заставить эти ранее скрытые световые состояния ярко и контролируемо светиться, что открывает новые возможности для создания более быстрых, компактных и энергоэффективных технологий.

Тёмные экситоны — это экзотические состояния связи света и материи в атомарно тонких полупроводниках. Обычно они остаются невидимыми, поскольку очень слабо излучают свет. Тем не менее, их длительное время жизни и слабое взаимодействие с окружающей средой делают их идеальными для применений в квантовой информатике и сенсорике.

Чтобы сделать эти скрытые состояния видимыми, исследовательская группа создала наноразмерный оптический резонатор из золотых наностержней и однослойного диселенида вольфрама (WSe₂) — материала толщиной всего в три атома. Эта точная конструкция усилила световое излучение от тёмных экситонов почти в 300 000 раз. Усиление сделало их не только видимыми, но и позволило управлять ими в наномасштабе.

«Эта работа показывает, что мы можем получать доступ и манипулировать состояниями света и материи, которые ранее были недосягаемы», — заявил Андреа Алю, руководитель исследования и профессор физики в CUNY Graduate Center. Он добавил, что возможность включать и выключать эти состояния по желанию с наноскопической точностью может способствовать значительному прогрессу. «Управляя этими скрытыми состояниями и манипулируя ими с наноразрешением, мы открываем захватывающие возможности для революционного развития оптических и квантовых технологий следующего поколения, включая сенсорику и вычисления».

Команда пошла дальше, продемонстрировав, что тёмными экситонами можно управлять по требованию с помощью электрических и магнитных полей. Такой уровень контроля позволяет тонко настраивать их свойства излучения для использования в чиповой фотонике, датчиках и защищённой квантовой связи. В отличие от предыдущих подходов, которые изменяли свойства материалов, этот новый метод сохраняет естественные характеристики полупроводника. Он позволяет достичь рекордного усиления связи света и материи без ущерба для целостности материала.

«Наше исследование раскрывает новое семейство тёмных экситонов, спин-запрещённых тёмных экситонов, которые ранее никогда не наблюдались», — сообщил первый автор работы Цзяминь Цюань.

«Это открытие — только начало; оно открывает путь для изучения многих других скрытых квантовых состояний в 2D-материалах». Это открытие также разрешает давний спор в сообществе нанофотоники. Учёные долгое время задавались вопросом, могут ли плазмонные структуры усиливать тёмные экситоны, не изменяя их внутренней природы. Команда CUNY и UT Austin дала положительный ответ, создав точную плазмонно-экcитонную гетероструктуру. Они использовали нанотонкие слои нитрида бора, чтобы разделить золото и полупроводниковый материал. Такое деликатное слоистое строение сохранило квантовое поведение экситонов, одновременно усиливая их излучение.

Превратив «тёмные» световые состояния в управляемые и светящиеся явления, эта работа знаменует собой скачок в направлении создания квантовых систем, которые будут меньше, быстрее и гораздо эффективнее современных оптических технологий.