Ученые смогли «подчинить» себе излучение квазичастиц

Физики научились лучше управлять свойствами экситонов — квазичастиц, способных излучать и поглощать свет определенных длин волн. Контролируя спектр и интенсивность излучения экситонов, можно создавать нанолазеры или компоненты для оптических компьютеров, которые будут быстрее и производительнее, чем обычные. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

В полупроводниках — материалах, способных при определенных условиях проводить ток, — электроны (отрицательно заряженные частицы) могут переходить в возбужденное состояние и «отрываться» от ядер атомов, вокруг которых они изначально были расположены. Такой переход может происходить, например, при освещении, высоких температуре и давлении. На месте электронов при этом образуются так называемые «дырки», которые несут положительный заряд. Поскольку «плюс» и «минус» притягиваются, электрон не может далеко «убежать» от своей дырки и, находясь очень близко — на расстоянии в миллион раз меньше сантиметра, — определенным образом с ней взаимодействует. Такую пару в физике принято называть экситоном.

Экситоны способны поглощать и излучать свет в определенных диапазонах, а эти свойства можно использовать, например, в солнечных элементах, преобразующих свет в электричество, или в нанолазерах. Последние, в свою очередь, перспективны как компоненты оптических компьютеров, которые для работы используют вместо обычной электроники излучающие наноустройства. Однако, чтобы соответствующие приборы работали точно, нужно уметь управлять длиной волны и интенсивностью излучения экситонов.

Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами из Южной Кореи и США исследовали поведение экситонов в двумерных полупроводниках, то есть таких материалах, толщина которых составляет всего несколько атомов. Использованные авторами полупроводники состояли из двух слоев: верхний содержал вольфрам и селен, а нижний, помимо этих элементов, еще включал молибден. В таких двумерных материалах экситоны существуют при комнатной температуре и атмосферном давлении, благодаря чему на их основе можно создавать устройства, не требующие особых труднодостижимых условий работы. С другой стороны, двухслойный полупроводник удобнее, чем однослойный, потому что экситоны в нем «живут» в миллионы раз дольше — вплоть до нескольких микросекунд, которых достаточно для того, чтобы передавать сигналы в оптоэлектронных устройствах.

Интересно, что в двухслойных материалах экситоны есть как в каждом из слоев, так и между ними. Межслойные частицы возникают, когда возбужденный электрон из одного слоя «перепрыгивает» в другой, а дырка от него остается в изначальном месте. Свойства таких экситонов — длина волны и интенсивность излучения — очень чувствительны к тому, как слои взаимно расположены, в частности, к расстоянию между ними.

Чтобы определить, как расстояние между слоями образца влияет на свойства экситонов, исследователи точечно — на площади порядка нескольких нанометров (в сотни тысяч раз меньшей миллиметра) — сжали образец с помощью специального золотого зонда. Такой зонд не только создавал давление, в десять тысяч раз превышающее атмосферное, но еще и отдавал собственные электроны, с которыми взаимодействовали экситоны. В результате спектр излучения материала сдвинулся в коротковолновую область. Это объясняется тем, что слои полупроводника взаимодействовали сильнее, чем без давления, а межслойные экситоны образовали комплексы с электронами, поступившими от золотого зонда, и в результате поменяли свои оптические свойства.