Pesquisadores da ETH Zurich conseguiram pela primeira vez prender excitons – quasipartículas que consistem em elétrons carregados negativamente e buracos carregados positivamente – em um material semicondutor usando campos elétricos controláveis. A nova técnica é importante para a criação de fontes de fótons únicos, bem como para a pesquisa básica.
Em materiais semicondutores, a corrente elétrica pode ser conduzida tanto por elétrons quanto por lacunas carregadas positivamente, ou elétrons ausentes. A luz que atinge o material também pode excitar os elétrons para uma banda de energia mais alta, deixando para trás um buraco na banda original. Através da atração eletrostática, o elétron e o buraco agora se combinam para criar o chamado éxciton, uma quasipartícula que, como um todo, se comporta como uma partícula neutra. Por causa de sua neutralidade, até agora tem sido difícil manter excitons em um ponto específico dentro de um material.

Uma equipe de cientistas liderada por Ataç Imamoğlu, professor do Departamento de Física, Puneet Murthy, pós-doutorado em seu grupo, e David Norris, professor do Departamento de Engenharia Mecânica e de Processos, conseguiram pela primeira vez aprisionar excitons em um minúsculo espaço usando campos elétricos controláveis, e também demonstrando a quantização de seu movimento. Os pesquisadores esperam que seus resultados, publicados recentemente na revista científica Nature , levará ao progresso em direção a aplicações em tecnologias ópticas, bem como a novos insights sobre fenômenos físicos fundamentais.

Uma interface importante

"Excitons desempenham um papel importante na interface entre semicondutores e luz", diz Murthy. Eles são usados, por exemplo, em sensores de luz, células solares ou até mesmo novas fontes de fótons únicos para tecnologias quânticas. Prendê-los de maneira controlada tem sido um objetivo ambicioso da pesquisa em física do estado sólido por muitos anos.

Os pesquisadores da ETH criam suas armadilhas de excitons colocando uma fina camada do material semicondutor disseleneto de molibdênio entre dois isoladores e adicionando um eletrodo na parte superior e inferior. Nesta configuração, o eletrodo superior cobre apenas parte do material. Como resultado, a aplicação de uma tensão cria um campo elétrico cuja intensidade depende da posição dentro do material. Isso, por sua vez, faz com que buracos carregados positivamente se acumulem dentro do semicondutor diretamente abaixo do eletrodo superior, enquanto em outros lugares os elétrons carregados negativamente se acumulam. No plano do semicondutor, surge um campo elétrico entre essas duas zonas.

Movimento do éxciton quantizado

"Este campo elétrico, que muda fortemente a uma curta distância, pode prender os excitons no material de forma muito eficaz", explica Deepankur Thureja, Ph.D. estudante e principal autor do artigo que realizou os experimentos junto com Murthy. Embora os éxcitons sejam eletricamente neutros, eles podem ser polarizados por campos elétricos, o que significa que o elétron e o buraco do éxciton são puxados um pouco mais afastados. Isso resulta em um campo de dipolo elétrico, que interage com o campo externo e, portanto, exerce uma força no éxciton.

Para demonstrar experimentalmente que esse princípio realmente funciona, os pesquisadores iluminaram o material com luz laser de diferentes comprimentos de onda e mediram a reflexão da luz em cada caso. Ao fazer isso, eles observaram uma série de ressonâncias, o que significa que em certos comprimentos de onda a luz foi refletida mais fortemente do que o esperado. Além disso, as ressonâncias podem ser ajustadas alterando a tensão nos eletrodos. “Para nós, isso foi um sinal claro de que os campos elétricos criaram uma armadilha para os excitons e que o movimento dos excitons dentro dessa armadilha foi quantizado”, diz Thureja. Quantizado aqui significa que os excitons só podem assumir certos estados de energia bem definidos, muito parecidos com os elétrons dentro de um átomo. Das posições das ressonâncias, Imamoğlu e seus colegas de trabalho foram capazes de deduzir que a armadilha de excitons criada pelos campos elétricos tinha menos de dez nanômetros de largura.

Aplicações no processamento de informações quânticas

Esses excitons fortemente presos são extremamente importantes tanto para aplicações práticas quanto para questões básicas, diz Murthy:"As armadilhas de excitons eletricamente controláveis ​​eram um elo perdido na cadeia até agora". Por exemplo, os físicos agora podem juntar muitos desses excitons presos e ajustá-los de tal forma que emitam fótons com exatamente as mesmas propriedades. "Isso permitiria criar fontes idênticas de fótons únicos para processamento de informações quânticas", explica Murthy. E Imamoğlu acrescenta:"Essas armadilhas também abrem novas perspectivas para a pesquisa básica. Entre outras coisas, elas nos permitirão estudar estados de não equilíbrio de excitons de interação forte". + Explorar mais

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