Le tecnologie future basate sui principi della meccanica quantistica potrebbero rivoluzionare la tecnologia dell'informazione. Ma per realizzare i dispositivi di domani, i fisici di oggi devono sviluppare piattaforme precise e affidabili per intrappolare e manipolare particelle quantomeccaniche.

In un articolo pubblicato il 25 febbraio sulla rivista Natura , un team di fisici dell'Università di Washington, l'Università di Hong Kong, l'Oak Ridge National Laboratory e l'Università del Tennessee, riferiscono di aver sviluppato un nuovo sistema per intrappolare i singoli eccitoni. Queste sono coppie legate di elettroni e le loro cariche positive associate, conosciuti come buchi, che può essere prodotto quando i semiconduttori assorbono la luce. Gli eccitoni sono candidati promettenti per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche che potrebbero rivoluzionare i campi del calcolo e delle comunicazioni.

Il gruppo, guidato da Xiaodong Xu, il Distinguished Professor di fisica e scienza e ingegneria dei materiali della UW, lavorato con due semiconduttori 2-D a strato singolo, diseleniuro di molibdeno e diseleniuro di tungsteno, che hanno disposizioni simili a nido d'ape di atomi in un unico piano. Quando i ricercatori hanno messo insieme questi materiali 2-D, una piccola torsione tra i due strati ha creato una struttura "superreticolo" nota come motivo moiré, un motivo geometrico periodico se visto dall'alto. I ricercatori hanno scoperto che, a temperature di pochi gradi sopra lo zero assoluto, questo motivo moiré ha creato un paesaggio strutturato a livello di nanoscala, simili alle fossette sulla superficie di una pallina da golf, che possono intrappolare gli eccitoni sul posto come le uova in un cartone di uova. Il loro sistema potrebbe costituire la base di una nuova piattaforma sperimentale per monitorare gli eccitoni con precisione e potenzialmente sviluppare nuove tecnologie quantistiche, disse Xu, che è anche ricercatore di facoltà presso il Clean Energy Institute dell'UW.

Gli eccitoni sono candidati interessanti per la comunicazione e le tecnologie informatiche perché interagiscono con i fotoni:pacchetti singoli, o quanti, di luce, in modi che cambiano le proprietà degli eccitoni e dei fotoni. Un eccitone può essere prodotto quando un semiconduttore assorbe un fotone. L'eccitone può anche successivamente trasformarsi di nuovo in un fotone. Ma quando viene prodotto per la prima volta un eccitone, può ereditare alcune proprietà specifiche dal singolo fotone, come la rotazione. Queste proprietà possono quindi essere manipolate dai ricercatori, come cambiare la direzione di rotazione con un campo magnetico. Quando l'eccitone diventa di nuovo un fotone, il fotone conserva informazioni su come le proprietà dell'eccitone sono cambiate nel corso della sua breve vita, in genere, circa un centinaio di nanosecondi per questi eccitoni, nel semiconduttore.

Al fine di utilizzare le proprietà di "registrazione delle informazioni" dei singoli eccitoni in qualsiasi applicazione tecnologica, i ricercatori hanno bisogno di un sistema per intrappolare i singoli eccitoni. Il motivo moiré soddisfa questo requisito. Senza esso, i minuscoli eccitoni, che si pensa abbiano un diametro inferiore a 2 nanometri, potrebbe diffondersi ovunque nel campione, rendendo impossibile tracciare i singoli eccitoni e le informazioni in loro possesso. Mentre gli scienziati avevano precedentemente sviluppato approcci complessi e sensibili per intrappolare diversi eccitoni vicini l'uno all'altro, il modello moiré sviluppato dal team guidato da UW è essenzialmente un array 2-D formato naturalmente che può intrappolare centinaia di eccitoni, se non di più, con ciascuno che agisce come un punto quantico, una prima in fisica quantistica.

Una caratteristica unica e rivoluzionaria di questo sistema è che le proprietà di queste trappole, e quindi gli eccitoni, può essere controllato da una torsione. Quando i ricercatori hanno cambiato l'angolo di rotazione tra i due diversi semiconduttori 2-D, hanno osservato diverse proprietà ottiche negli eccitoni. Per esempio, gli eccitoni in campioni con angoli di torsione di zero e 60 gradi hanno mostrato momenti magnetici sorprendentemente diversi, così come diverse eliche di emissione di luce polarizzata. Dopo aver esaminato più campioni, i ricercatori sono stati in grado di identificare queste variazioni dell'angolo di torsione come "impronte digitali" di eccitoni intrappolati in uno schema moiré.

Nel futuro, i ricercatori sperano di studiare sistematicamente gli effetti di piccole variazioni dell'angolo di torsione, che può regolare con precisione la spaziatura tra le trappole degli eccitoni:le fossette del cartone delle uova. Gli scienziati potrebbero impostare la lunghezza d'onda del modello moiré abbastanza grande da sondare gli eccitoni in isolamento o abbastanza piccola da poter essere posizionati vicini tra loro e "parlare" l'uno con l'altro. Questo livello di precisione unico nel suo genere può consentire agli scienziati di sondare le proprietà quantomeccaniche degli eccitoni mentre interagiscono, che potrebbe favorire lo sviluppo di tecnologie innovative, disse Xu.

"In linea di principio, questi potenziali moiré potrebbero funzionare come matrici di punti quantici omogenei, " ha detto Xu. "Questa piattaforma quantistica artificiale è un sistema molto eccitante per esercitare un controllo di precisione sugli eccitoni, con effetti di interazione ingegnerizzati e possibili proprietà topologiche, che potrebbe portare a nuovi tipi di dispositivi basati sulla nuova fisica".

"Il futuro è molto roseo, " aggiunse Xu.