- 工程量子箱中的高激子-极化子密度
- 未来超节能技术的可能途径
FLEET/ANU的Matthias Wurdack博士在澳大利亚国立大学实验室(图片来源:ANU Phil Dooley)
澳大利亚研究人员设计了一个用于二维材料中的极化子的量子盒，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种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”异质结构上使用“小”二维材料(二硫钨)。这使得研究人员能够仔细研究和比较被困在盒子里的极化激元和自由移动的极化激元的性质。
“我们已经能够证明极化激元在任何地方形成外量子盒子可以移动许多微米，并被困在盒子里并积累起来，”首席研究员Matthias Wurdack博士(澳大利亚国立大学)解释道。
为什么我们需要大的极化子密度
激子极化子:由光子(光)和激子(束缚电子-空穴对)组成的混合粒子
激子-极化激子是未来超低能量电子的一个有前途的平台，因为它们可以在完全“相干”的量子态中流动，没有任何浪费的能量耗散。
新颖的二维原子薄半导体(TMDCs)是这种未来技术的有前途的候选者，因为激子在室温下在这些材料中是稳定的。
(在任何可行的、可替代的低能耗技术中，室温操作都很重要，这样设备过冷所需的能量就不会超过收益。)
“然而，这种‘无耗散’输运需要相变到宏观相干量子态，这只发生在非常大的粒子密度下，这在2D半导体中很难实现”，小组负责人Elena Ostrovskaya教授解释道。
“这项新技术使澳大利亚国立大学的研究人员能够在设计好的‘量子盒’中创造高偏振子密度。”
激子极化激元:一个简短的解释
“激子”是一种结合的电子空穴对，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的正电荷电子空位(空穴)结合。
将这些激子与光混合，就会形成一种广受欢迎的混合光物质粒子，称为“激子-极化激子”，这种粒子可以穿过半导体，而不会以热量的形式耗散能量。
这种“混合”是通过在由两个镜子组成的微腔中放置一个2D半导体来实现的，两个镜子之间相隔几百纳米，这限制了光。
在这样的器件中，二维半导体中的激子可以与受限光强耦合，形成激子极化激元(通常称为“极化激元”)。
如何建造量子盒子
构建量子盒的关键是将“小”二维材料放置在“大”层之上，在较小层的边界内创建一个潜在的阱**
在微腔/异质结构器件中，激子-极化激子相互作用可以发生相变，转变为玻色爱因斯坦凝聚态或超流体的无耗散量子态，可用于未来的技术。
这种相变可以在室温下，在足够大的粒子密度下实现。
增加粒子密度和极化激元相互作用的一种流行方法是将它们在空间上限制在一个量子盒子里。
然而，在二维材料中为激子极化激元构建量子盒是困难的，因为这些材料极其脆弱，使用传统的纳米制造技术很容易损坏。
舰队/澳大利亚国立大学的研究人员发现了一种建造这样一个量子盒子的新方法机械，而不需要将脆弱的2D材料暴露在高温和研磨颗粒下的纳米制造机器。
这是通过放置TMDC二硫化钨(WS)的“小”单层来完成的2)，放置在一个“大型”WS上2单层以超薄Ga为间隔2O3.玻璃，在镜像微腔内。
“小”和“大”尺寸是相对于粒子波长的激子-极化子。
较小的层产生了一个“势阱”，因为在它的边界内，激子与光的耦合更强，这剥夺了极化元的势能，所以现在它们没有足够的能量逃离势阱。
这种结构允许研究人员在势阱形成的“盒子”陷阱中积累和限制极化子，从而大大增加盒子内的极化子密度。
研究证实向理想的量子态迈进了一步
比较盒形阱内部(红色)和外部(黑色)的极化子特性**
研究人员能够比较盒子陷阱内外的极化子特征。
他们发现，俘获导致能量向较低的能态重新分配，标志着向BEC和超流的理想量子态前进。
此外，研究人员发现，即使在达到BEC相之前，俘获也显著增强了极化元的宏观相干性。
这是因为受限光比WS的寿命要长得多2激子和俘获能有效地抑制极化子气体的相位涨落。
值得注意的是，当极化子完全在陷阱区域外产生并通过穿过样品向陷阱移动来填充陷阱时，陷阱中的相干性也得到了增强。
新材料
本研究中使用的半导体属于过渡金属二卤化物晶体(TMDCs)家族，这是一种层状晶体，通过范德华相互作用(类似于铅笔中的石墨)进行弱结合。
由于层与层之间的键非常弱，研究人员可以相对简单地使用“透明胶带”方法来“稀释”这些晶体。2010年，Geim和Novoselov首先使用这种著名的方法分离出2D石墨烯。
显微图像:较小的WS2一层在较大的WS之上2层，以Ga分隔2O3.**
当变薄到单分子层极限(即一个原子薄)时，不同波长的光与单分子层强烈相互作用，直接产生激子。(这个过程不会发生在大块晶体中。)
2D TMDCs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中的激子彼此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TMDCs中的激子与光强烈相互作用形成激子-极化激子，但TMDCs中的激子-极化激子相互作用很弱，”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。”
这项研究
提高室温WS的基态总体和宏观相干性2通过工程限制的极化激元发表于物理评论快报2022年10月(DOI 10.1103/physrevlet .129.147402)
资金来自澳大利亚研究理事会(卓越中心和DECRA项目)，以及来自欧洲研究委员会。
更多的信息
- 联系Matthias Wurdack博士(澳洲国立大学)matthias.wurdack@anu.edu.au
- 联系Elena Ostrovskaya教授(澳大利亚国立大学)elena.ostrovskaya@anu.edu.au
**图片来自物理评论快报