研究團隊成功實現微小光源的超快速切換

僅由幾個原子層組成的極薄材料有望在電子和量子技術中得到應用。由德累斯頓工業大學領導的國際團隊現已在亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫中心(HZDR) 進行的一項實驗取得了顯著進展：專家們能夠在超薄的超薄粒子中誘導電中性和帶電發光粒子之間極快的切換過程。

該結果為研究以及光學數據處理和靈活探測器開闢了新的視角。該研究是提出在日記中自然光子學。

與更傳統的塊狀晶體相比，二維半導體可以表現出根本不同的特性。特別是，更容易產生所謂的激子粒子：如果已知帶負電的電子透過吸收能量在材料中被激發，它就會從原來的位置移開。它留下了移動電荷——一個帶正電的「洞」。

電子和電洞相互吸引並一起形成稱為激子的束縛態，這是一種電子對。如果附近有另一個電子，它就會被拉向它，形成三粒子態——科學術語中稱為「三粒子」。 Trion的特點是電荷與強光發射的結合，可以同時進行電子和光學控制。

相當長一段時間以來，激子和三重子之間的相互作用被認為是一個轉換過程，它本身就很有趣，也可能引起未來應用的興趣。事實上，許多實驗室已經成功地有針對性地在兩種狀態之間進行切換，但迄今為止切換速度有限。

這項研究由德勒斯登工業大學的 Alexey Chernikov 教授領導，HZDR 物理學家 Stephan Winnerl 博士現在能夠大幅加速這種轉換。這項工作是在維爾茨堡-德累斯頓卓越集群「量子材料的複雜性和拓撲，ct.qmat」的框架內進行的。來自馬爾堡、羅馬、斯德哥爾摩和筑波的研究人員為此計畫做出了重要貢獻。

先捕獲，後分離

實驗是使用 HZDR 的特殊設施進行的。 FELBE 自由電子雷射可發出強烈的太赫茲脈衝，頻率範圍介於無線電波和近紅外線輻射之間。研究人員首先照亮了原子薄層二硒化鉬用短雷射脈衝產生激子。一旦它們被創建，每個激子就會從材料中已經存在足夠數量的電子中捕獲一個電子，從而變成三重子。

「當我們向材料發射太赫茲脈衝時，三重子極快地重新形成激子，」溫納爾解釋道。 “我們能夠展示它是因為激子和三重子發射不同波長的近紅外線輻射。”

實驗中的決定性因素是太赫茲脈衝的頻率匹配，以打破激子和電子之間的弱鍵，從而再次重新產生僅由一個電子和一個電洞組成的對。不久之後，這捕獲另一個電子並再次變成三重子。

分離成激子的速度達到創紀錄的速度。這種鍵在幾皮秒（萬億分之一秒）內就被破壞了。 TU 科學家 Chernikov 強調：“這比以前使用純電子方法實現的速度幾乎快了一千倍，並且可以根據需要通過太赫茲輻射產生。”

新方法為研究提供了有趣的前景。下一步可能是將演示的過程擴展到各種複雜的電子狀態和材料平台。不尋常的物質量子態，由因此，正如在室溫下的應用一樣，許多顆粒之間的相互作用是可以實現的。

數據處理和感測器技術的前景

研究結果也可能對未來的應用有用，例如感測器技術或光學數據處理。

「可以想像，透過快速切換來適應新型調變器的效果，」Winerl 解釋道。 “與超薄晶體相結合，這可以用來開發既極其緊湊又能夠電子控制光學編碼訊息的組件。”

另一個領域是技術相關的檢測和成像的應用。

「基於原子級薄半導體中所展示的切換過程，從長遠來看，有可能開發出在太赫茲範圍內工作、在很寬的頻率範圍內可調的探測器，並且可以實現為具有大量像素， 」切爾尼科夫建議。 “原則上，即使相對較低的強度也足以觸發轉換過程。”

將三重子轉換為激子會導致發射的近紅外光波長發生特徵變化。檢測這一點並將其轉換為圖像將相當簡單，並且可以使用現有的最先進技術來實現。