Может ли тьма светиться? Невидимые экситоны удалось сделать ярче обычных — с усилением в 300 000 раз

Учёные из Городского университета Нью-Йорка и Техасского университета в Остине добились результата, который долгое время считался почти недостижимым: им удалось заставить тёмные экситоны — малозаметные квантовые состояния в ультратонких полупроводниках — излучать достаточно ярко, чтобы с ними можно было работать. Этот экспериментальный прорыв открывает путь к более быстрым и компактным оптоэлектронным устройствам, где взаимодействие света и материи реализуется на уровнях, недоступных нынешним технологиям.

Тёмные экситоны представляют собой пары связанных электронов и дырок, для которых прямые оптические переходы запрещены. Из-за этого они почти не взаимодействуют со светом и остаются невидимыми привычными методами. При этом такие состояния могут существовать довольно долго и слабо реагируют на внешние помехи, что делает их перспективными для квантовых датчиков и защищённых каналов связи. Основная трудность заключалась в том, что их естественное свечение слишком слабое для практического применения.

Чтобы получить доступ к этим состояниям, исследователи создали наномасштабную оптическую полость из золотых нанотрубок и одноатомного слоя диселенида вольфрама. Такая конструкция усилила излучение тёмных экситонов примерно в 300 тысяч раз — достаточно, чтобы их сигналы стали отчётливыми и пригодными для экспериментов, включая точное управление наноструктурами.

Одним из ключевых достижений стала возможность работать с тёмными экситонами на пространственном масштабе порядка десятков нанометров. Регулировать их свечение удаётся не вмешиваясь в сам полупроводник, а перенастраивая оптическую полость. Так материал сохраняет свои свойства, а учёные получают способ наблюдать режимы, которые раньше оставались недоступными.

Авторы также показали, что интенсивность свечения можно изменять с помощью электрических и магнитных полей. Такой подход позволяет подгонять параметры излучения под задачи фотонных микросхем, датчиков и защищённых коммуникационных систем. До сих пор аналогичный контроль требовал модификации самого материала, что неизбежно влияло на поведение экситонов.

Во время экспериментов команда обнаружила семейство спин-запрещённых тёмных экситонов, существование которых ранее обсуждалось только теоретически. Теперь их можно изучать напрямую, что расширяет возможности анализа квантовых состояний в ультратонких материалах и позволяет уточнять модели, на которые раньше приходилось полагаться лишь косвенно.

Работа помогла прояснить и давний спор в нанофотонике: могут ли плазмонные структуры усиливать тёмные экситоны, не нарушая их квантовые характеристики. Исследователи решили эту задачу с помощью многослойной архитектуры, в которой золото отделено от полупроводника тонкими слоями нитрида бора. Такое разделение предотвращает искажение квантовых свойств и одновременно обеспечивает сильную плазмонно-экситонную связь.

Проект был поддержан Управлением научных исследований ВВС США, Управлением военно-морских исследований и Национальным научным фондом.