Os trions consistem em três partículas carregadas unidas por uma energia de ligação muito fraca. Embora trions possam potencialmente transportar mais informações do que elétrons em aplicações como eletrônica e computação quântica, trions são tipicamente instáveis ​​em temperatura ambiente, e as ligações entre as partículas de trion são tão fracas que rapidamente se desfazem. A maioria das pesquisas sobre trions requer temperaturas super-resfriadas, e mesmo assim, sua natureza fugaz tornou os trions difíceis de controlar e difíceis de estudar.

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Maryland descobriu um método para sintetizar de forma confiável e capturar trions que permanecem estáveis ​​em temperatura ambiente. A pesquisa permite manipular trions e estudar suas propriedades fundamentais. O trabalho é descrito em um artigo de pesquisa publicado em 16 de outubro, 2019, no jornal ACS Central Science .

"Este trabalho torna a síntese de trions muito eficiente e fornece um método para manipulá-los de maneiras que não fomos capazes de fazer antes, "disse YuHuang Wang, professor de química e bioquímica da UMD e autor sênior do artigo. "Com a capacidade de estabilizar e prender trions, temos potencial para construir um sistema muito limpo para estudar os processos que regem os diodos emissores de luz e fotovoltaicos e para desenvolver tecnologias de informação quântica. "

No novo estudo, Wang e seus colegas usaram uma reação química para criar defeitos na superfície dos nanotubos de carbono de parede única. Os defeitos causam depressões na paisagem energética da superfície condutora do nanotubo. Essas depressões podem ser vistas como poços por onde as partículas carregadas que fluem podem cair e ficar presas dentro.

Depois de criar os defeitos, os pesquisadores direcionaram fótons para os nanotubos e observaram luminescência brilhante nos locais dos defeitos. Cada lampejo de luminescência em um comprimento de onda característico indicava que um elétron e uma partícula chamada exciton ficaram presos em um local de defeito e se uniram em um trion.

Os excitons foram criados quando os pesquisadores direcionaram fótons aos nanotubos de carbono. Quando um nanotubo de carbono absorve um fóton, um elétron no nanotubo é bombeado do estado fundamental para um estado excitado, deixando para trás um buraco que é carregado positivamente. O buraco e o elétron estão fortemente ligados, formando um par elétron-buraco denominado exciton. De acordo com os pesquisadores, quando um exciton e um elétron caem em um poço criado pelo defeito químico, eles se unem em um trion que consiste em dois elétrons e um buraco. Conforme o trion decai, ele libera um fóton, resultando na luminescência brilhante que os pesquisadores observaram.

"É quase como trazer a física atômica para um laboratório de química, "disse Wang disse, "porque o poço resultante do defeito químico funciona como uma espécie de copo em escala atômica para um único evento de 'ligação'. O que é muito emocionante, é que o nível de energia do trion é ditado pelo poço, e podemos usar reações químicas para manipular o poço. Isso significa que podemos controlar potencialmente a energia e a estabilidade dos trions. "

Wang disse que, ao alterar as propriedades do defeito químico criado na superfície do nanotubo, pode ser possível manipular precisamente a carga, spin do elétron e outras propriedades dos trions que eles prendem. Os trions presos que Wang e seus colaboradores observaram neste estudo eram mais de sete vezes mais brilhantes do que os trions mais brilhantes já relatados, e eles duraram mais de 100 vezes mais do que os trions livres.

Wang e sua equipe pretendem continuar a desenvolver seus métodos para controlar com precisão a síntese de trions em defeitos criados intencionalmente em nanotubos de carbono e estudar a fotofísica fundamental e as propriedades ópticas dos trions.

A capacidade de criar trions estáveis ​​com propriedades específicas terá amplas implicações para tecnologias como bioimagem, sensoriamento químico, captação de energia, computação de estado sólido e computação quântica.

“É interessante que um defeito nem sempre é negativo, e no nosso caso, poderia levar a maneiras inteiramente novas de gerar trions e conduzir pesquisas fundamentais sobre essas quase-partículas, "disse um dos principais autores do estudo, Hyejin Kwon (Ph.D. '16, química), que agora está fazendo sua pesquisa de pós-doutorado na Universidade do Colorado. Kwon co-liderou o estudo com Mijin Kim (Ph.D. '18, química), que agora é pós-doutorado no Memorial Sloan Kettering Cancer Center.