将极化子捕获在工程量子盒中

构建量子盒的关键是在“较大”层的顶部放置“小”2D材料，从而在较小层的边界内创建潜在井。

澳大利亚研究人员为二维材料中的极化子设计了一个量子盒，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使研究人员能够访问该材料家族中引人注目的“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”2D材料（二硫酸钨）。这使得研究人员能够仔细研究和比较被困在盒子中的极化子和自由移动的极化子的性质。

“我们已经能够证明，在量子盒子外任何地方形成的极化子可以行进许多微米，并被困在盒子内并积累，”首席研究员Matthias Wurdack博士（澳大利亚国立大学）解释说。

为什么我们需要大的极化子密度

激子极化子是未来超低能电子产品的一个有前途的平台，因为它们可以在完全“相干”的量子态动而不会浪费任何能量耗散。

新颖的2D原子薄半导体（TMDC）是这种未来技术的有希望的候选者，因为激子在这些材料中在室温下是稳定的。

（室温操作在任何可行的替代性低能耗技术中都很重要，因此过冷设备所需的能量不会超过收益。

“然而，这种'无耗散'传输需要相变到宏观相干量子态，这只发生在2D半导体中难以获得的非常大的颗粒密度下，”小组负责人Elena Ostrovskaya教授（也在ANU）解释说。

“这项新技术使ANU研究人员能够在工程化的'量子盒'中创造出高极化子密度。

激子极化子：由光子（光）和激子（结合的电子 - 空穴对）组成的杂化粒子。

激子极化子：一个简短的解释器

“激子”是一个结合的电子 - 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带正电荷的电子空位（空穴）结合。

将这些激子与光混合会导致形成广受欢迎的混合光物质粒子，称为“激子 - 极化子”，它可以穿过半导体而不会在热量中耗散能量。

“混合”是通过将2D半导体放置在由两个镜子组成的微腔内来完成的，该镜子由几百纳米隔开，从而限制了光。

在这样的器件中，2D半导体中的激子可以强烈耦合到受限光，形成激子- 极化子（通常简称为“极化子”）。

如何构建量子盒

在微腔/异质结构器件中，相互作用的激子 - 极化子可以经历相变，以达到玻色爱因斯坦凝聚物（BEC）或超流体的无耗散量子态，这可以在未来的技术中使用。

这种相变可以在室温下以足够大的颗粒密度实现。

增加粒子密度的一种流行方法，以及极化子的相互作用，是在空间上将它们限制在量子盒内。

然而，在2D材料中为激子极化子构建量子盒是困难的，因为这些材料非常脆弱，并且使用传统的纳米加工技术很容易损坏。

比较盒子陷阱内部（红色）和外部（黑色）的极化特性。

FLEET / ANU研究人员发现了一种以机械方式构建这种量子盒的新方法，而无需纳米制造机器，将脆弱的2D材料暴露在热和磨蚀性颗粒中。

这是通过放置TMDC二硫化钨（WS）的“小”单层来完成的2），位于“大型”WS 之上2单层由超薄 Ga 隔开2O3玻璃，在镜面微腔内。

“小”和“大”尺寸是相对于激子-极化的粒子波长而言的。

较小的层创造了一个“势井”，因为在其边界内，激子与光的耦合更强，这剥夺了极化子的势能，所以现在它们没有足够的能量来逃离井。

该构造允许研究人员在由势阱形成的“箱”圈闭内积累和限制极化子，从而大大增加了箱内极化子密度。

研究证实了迈向所需量子态的一步

研究人员能够比较盒子陷阱内外的极化特性。

他们发现，捕获导致能量再分配到较低的能量状态，标志着向所需的BEC和超流体量子态前进。

此外，研究人员发现，即使在达到BEC阶段之前，捕获也会显着增强极化子的宏观相干性。

这是因为受限光的寿命比 WS 长得多2激子和捕获强烈地降低了极化子气体的相位波动。

值得注意的是，当极化子完全在捕集区域之外产生并通过穿过样品朝向陷阱来填充陷阱时，也实现了陷阱中的增强相干性。

显微图像：较小的 WS2层位于较大的 WS 之上2层，由 Ga 分隔2O3.

新型材料

本研究中使用的半导体属于过渡金属二碳化物晶体（TMDC）家族，其是通过范德华相互作用（类似于铅笔中的石墨）弱结合的层状晶体。

由于层之间的键非常弱，研究人员可以使用“透明胶带”方法相对简单地“变薄”这些晶体 - 首先，着名的是Geim和Novocelov在2010年用于分离2D石墨烯。

当变薄到单层极限（即一个原子变薄）时，不同波长的光与单层强烈相互作用，直接产生激子。（这个过程不会发生在块状晶体中。

2D TMDC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，TMDC中的激子彼此之间只有微弱的有效相互作用，使得BEC和超流体等“集体”量子现象难以达到。

“虽然TMDC中的激子与光强烈相互作用以形成激子 - 极化子，但TMDC中的激子 - 极化子彼此之间相互作用较弱，”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式”。

该研究发表在《物理评论快报》上。

更多信息：M. Wurdack等人，通过工程限制增强室温WS2极化子的基态种群和宏观相干性，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/物理回复 129.147402

期刊信息：物理评论快报