I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a intrappolare gli eccitoni - quasiparticelle costituite da elettroni caricati negativamente e lacune caricate positivamente - in un materiale semiconduttore utilizzando campi elettrici controllabili. La nuova tecnica è importante per la creazione di sorgenti di fotoni singoli così come per la ricerca di base.

Nei materiali semiconduttori, la corrente elettrica può essere condotta sia da elettroni che da lacune caricate positivamente o elettroni mancanti. La luce che colpisce il materiale può anche eccitare gli elettroni in una banda di energia più alta, lasciando dietro di sé un buco nella banda originale. Attraverso l'attrazione elettrostatica, l'elettrone e la lacuna ora si combinano per creare un cosiddetto eccitone, una quasiparticella che, nel suo insieme, si comporta come una particella neutra. A causa della loro neutralità, finora è stato difficile trattenere gli eccitoni in un punto specifico all'interno di un materiale.

Un team di scienziati guidato da Ataç Imamoğlu, professore presso il Dipartimento di Fisica, Puneet Murthy, post-dottorato nel suo gruppo, e David Norris, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e di Processo, sono riusciti per la prima volta a intrappolare gli eccitoni in un minuscolo spazio utilizzando campi elettrici controllabili e dimostrando anche la quantizzazione del loro movimento. I ricercatori sperano che i loro risultati, recentemente pubblicati sulla rivista scientifica Nature , porterà a progressi verso le applicazioni nelle tecnologie ottiche, nonché a nuove conoscenze sui fenomeni fisici fondamentali.

Un'interfaccia importante

"Gli eccitoni svolgono un ruolo importante nell'interfaccia tra semiconduttori e luce", afferma Murthy. Sono utilizzati, ad esempio, in sensori di luce, celle solari o persino nuove sorgenti di fotoni singoli per le tecnologie quantistiche. Intrappolarli in modo controllato è stato per molti anni un obiettivo ambizioso della ricerca sulla fisica dello stato solido.

I ricercatori dell'ETH creano le loro trappole per eccitoni inserendo un sottile strato di diseleniuro di molibdeno, materiale semiconduttore, tra due isolanti e aggiungendo un elettrodo in alto e in basso. In questa configurazione, l'elettrodo superiore copre solo una parte del materiale. Di conseguenza, l'applicazione di una tensione crea un campo elettrico la cui intensità dipende dalla posizione all'interno del materiale. Questo, a sua volta, fa sì che i fori carichi positivamente si accumulino all'interno del semiconduttore direttamente sotto l'elettrodo superiore, mentre altrove gli elettroni carichi negativamente si accumulano. Nel piano del semiconduttore si crea quindi un campo elettrico tra queste due zone.

Movimento quantizzato dell'eccitone

"Questo campo elettrico, che cambia fortemente su una breve distanza, può intrappolare in modo molto efficace gli eccitoni nel materiale", spiega Deepankur Thureja, Ph.D. studente e autore principale dell'articolo che ha condotto gli esperimenti insieme a Murthy. Sebbene gli eccitoni siano elettricamente neutri, possono essere polarizzati da campi elettrici, il che significa che l'elettrone e il foro dell'eccitone sono allontanati un po'. Ciò si traduce in un campo di dipolo elettrico, che interagisce con il campo esterno ed esercita quindi una forza sull'eccitone.

Per dimostrare sperimentalmente che questo principio funziona effettivamente, i ricercatori hanno illuminato il materiale con luce laser di diverse lunghezze d'onda e misurato la riflessione della luce in ciascun caso. Così facendo, hanno osservato una serie di risonanze, il che significa che a determinate lunghezze d'onda la luce veniva riflessa più fortemente del previsto. Inoltre, le risonanze potrebbero essere sintonizzate modificando la tensione sugli elettrodi. "Per noi, questo era un chiaro segno che i campi elettrici creavano una trappola per gli eccitoni e che il movimento degli eccitoni all'interno di quella trappola era quantizzato", dice Thureja. Quantizzato qui significa che gli eccitoni possono assumere solo determinati stati energetici ben definiti, proprio come gli elettroni all'interno di un atomo. Dalle posizioni delle risonanze Imamoğlu ei suoi collaboratori hanno potuto dedurre che la trappola degli eccitoni creata dai campi elettrici era larga meno di dieci nanometri.

Applicazioni nell'elaborazione quantistica delle informazioni

Tali eccitoni fortemente intrappolati sono estremamente importanti sia per le applicazioni pratiche che per le domande di base, afferma Murthy:"Finora le trappole a eccitoni controllabili elettricamente erano un anello mancante nella catena". Ad esempio, i fisici possono ora mettere insieme molti di questi eccitoni intrappolati e regolarli in modo tale che emettano fotoni aventi esattamente le stesse proprietà. "Ciò consentirebbe di creare identiche sorgenti di fotoni singoli per l'elaborazione di informazioni quantistiche", spiega Murthy. E Imamoğlu aggiunge:"Quelle trappole aprono anche nuove prospettive per la ricerca di base. Tra le altre cose, ci permetteranno di studiare gli stati di non equilibrio di eccitoni fortemente interagenti". + Esplora ulteriormente

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