Un team di ricercatori guidato dall'UMD ha sviluppato un metodo per intrappolare i trioni a temperatura ambiente in nanotubi di carbonio a parete singola. In questa immagine di spettroscopia di fotoluminescenza, I trioni e gli eccitoni intrappolati possono essere visti come macchie rosse luminose contro le emissioni di fondo blu scuro dal nanotubo ospite. Questo nuovo lavoro rende possibile manipolare quasiparticelle come i trioni e studiarne le proprietà fondamentali in modi che non sono mai stati possibili prima. Attestazione:Hyejin Kwon
I trioni sono costituiti da tre particelle cariche legate insieme da un'energia di legame molto debole. Sebbene i trioni possano potenzialmente trasportare più informazioni degli elettroni in applicazioni come l'elettronica e l'informatica quantistica, trioni sono tipicamente instabili a temperatura ambiente, ei legami tra le particelle di trione sono così deboli che si disgregano rapidamente. La maggior parte delle ricerche sui trioni richiede temperature superraffreddate, e anche allora, la loro natura fugace ha reso i trioni difficili da controllare e difficili da studiare.
Un team di ricercatori dell'Università del Maryland ha scoperto un metodo per sintetizzare e intrappolare in modo affidabile i trioni che rimangono stabili a temperatura ambiente. La ricerca permette di manipolare i trioni e studiarne le proprietà fondamentali. Il lavoro è descritto in un documento di ricerca pubblicato il 16 ottobre, 2019, nel diario Scienze Centrali ACS .
"Questo lavoro rende la sintesi dei trioni molto efficiente e fornisce un metodo per manipolarli in modi che non siamo stati in grado di fare prima, " ha detto Yu Huang Wang, un professore di chimica e biochimica all'UMD e autore senior del documento. "Con la capacità di stabilizzare e intrappolare trioni, abbiamo il potenziale per costruire un sistema molto pulito per lo studio dei processi che governano i diodi emettitori di luce e il fotovoltaico e per lo sviluppo di tecnologie dell'informazione quantistica".
Nel nuovo studio, Wang e i suoi colleghi hanno utilizzato una reazione chimica per creare difetti sulla superficie dei nanotubi di carbonio a parete singola. I difetti causano depressioni nel panorama energetico della superficie conduttiva del nanotubo. Queste depressioni possono essere pensate come pozzi in cui le particelle cariche che fluiscono potrebbero cadere e rimanere intrappolate all'interno.
Dopo aver creato i difetti, i ricercatori hanno diretto i fotoni ai nanotubi e hanno osservato una luminescenza brillante nei siti dei difetti. Ogni lampo di luminescenza a una lunghezza d'onda caratteristica indicava che un elettrone e una particella chiamata eccitone erano rimasti intrappolati in un sito di difetto e legati insieme in un trione.
Un difetto chimico in un nanotubo di carbonio a parete singola crea una depressione nel panorama energetico del nanotubo. Quando le particelle cariche scorrono attraverso la superficie conduttiva del nanotubo, possono cadere in questa depressione. Qui, un eccitone (in alto a sinistra) e un elettrone (in alto a destra) cadono in depressione, si legano insieme in un trione e sono intrappolati. Mentre il trione decade, rilascia un fotone che può essere osservato come un lampo luminoso di luminescenza Credito:Hyejin Kwon
Gli eccitoni sono stati creati quando i ricercatori hanno diretto i fotoni ai nanotubi di carbonio. Quando un nanotubo di carbonio assorbe un fotone, un elettrone nel nanotubo viene pompato dallo stato fondamentale a uno stato eccitato, lasciando dietro di sé un foro carico positivamente. La lacuna e l'elettrone sono strettamente legati insieme, formando una coppia elettrone-lacuna chiamata eccitone. Secondo i ricercatori, quando un eccitone e un elettrone cadono in un pozzo creato dal difetto chimico, si legano insieme in un trione composto da due elettroni e una lacuna. Mentre il trione decade, rilascia un fotone, con conseguente luminescenza brillante osservata dai ricercatori.
"È quasi come portare la fisica atomica in un laboratorio di chimica, " ha detto Wang ha detto, "perché il pozzo risultante dal difetto chimico funziona come una sorta di bicchiere su scala atomica per un singolo evento di 'legame'. Ciò che è molto eccitante, è che il livello energetico del trion è dettato dal pozzo, e possiamo usare reazioni chimiche per manipolare il pozzo. Ciò significa che possiamo potenzialmente controllare l'energia e la stabilità dei trioni".
Wang ha affermato che alterando le proprietà del difetto chimico creato sulla superficie del nanotubo, può diventare possibile manipolare con precisione la carica, spin dell'elettrone e altre proprietà dei trioni che intrappolano. I trioni intrappolati che Wang e i suoi collaboratori hanno osservato in questo studio erano più di sette volte più luminosi dei trioni più luminosi mai riportati, e durarono più di 100 volte più a lungo dei trioni liberi.
Wang e il suo team intendono continuare a sviluppare i loro metodi per controllare con precisione la sintesi dei trioni in presenza di difetti creati intenzionalmente sui nanotubi di carbonio e studiare la fotofisica fondamentale e le proprietà ottiche dei trioni.
La capacità di creare in modo affidabile trioni stabili con proprietà specifiche avrà ampie implicazioni per tecnologie come il bioimaging, rilevamento chimico, raccolta di energia, calcolo a stato solido e calcolo quantistico.
"È interessante che un difetto non sia sempre negativo, e nel nostro caso, potrebbe portare a modi completamente nuovi di generare trioni e condurre ricerche fondamentali su queste quasi-particelle, " ha detto uno degli autori principali dello studio Hyejin Kwon (Ph.D. '16, chimica), che ora sta svolgendo la sua ricerca post-dottorato presso l'Università del Colorado. Kwon ha co-diretto lo studio con Mijin Kim (Ph.D. '18, chimica), che ora è un borsista post-dottorato presso il Memorial Sloan Kettering Cancer Center.
