Специалисты из отдела фемтосекундной спектроскопии Окинавского института науки и технологий (OIST) совершили прорыв, впервые напрямую зафиксировав, как развиваются загадочные тёмные экситоны в сверхтонких материалах.
Это открытие, описанное в журнале Nature Communications, открывает двери для инноваций в традиционных и квантовых системах передачи данных. Руководитель подразделения Кешав Дани отметил, что такие частицы идеальны для хранения информации — они слабо реагируют на свет, что минимизирует потерю квантовых характеристик. Строясь на успехе 2020 года в том же институте, ученые теперь умеют генерировать, отслеживать и управлять этими "призраками".
В обычной электронике данные несут заряды частиц, в спинтронике — их вращение, а в долинтронике — особенности кристаллической решетки, где электроны "выбирают" разные энергетические минимумы, или долины. Аспирант Син Чжу объяснил, что тёмные экситоны в этих долинах устойчивее к внешним помехам, вроде тепла, и могут обойтись без сверхнизких температур, снижая риск разрушения квантового состояния по сравнению с современными кубитами.
За последние десять лет класс полупроводников TMD (дихалькогениды переходных металлов) эволюционировал в атомарно-тонкие слои. В их решетке электроны "сидят" на фиксированных энергетических уровнях. Свет выбивает их в зону проводимости, оставляя "дырки" в валентной — так рождаются экситоны, связанные пары, напоминающие мини-атомы водорода. Если спин и долина электрона с дыркой совпадают, пара быстро распадается с излучением света — это "яркие" экситоны, живущие пикосекунды.
Но когда свойства расходятся, рекомбинация блокируется, и частицы не светятся — вот "тёмные" экситоны. Доктор Дэвид Бэкон, один из инициаторов работ (ныне в Университетском колледже Лондона), уточнил: различают импульсно-тёмные и спинно-тёмные, в зависимости от несоответствия. Это продлевает их жизнь до наносекунд, делая изолированными от среды.
Доктор Вивек Парик (постдок в Калифорнийском технологическом институте) добавил: симметрия TMD позволяет свету с круговой поляризацией "зажигать" яркие экситоны в нужной долине — основа долинтроники. Однако они быстро мутируют в тёмные, потенциально сохраняя "память" о долине, хотя детали пока туманны.
Чтобы поймать процесс, команда применила топовую установку TR-ARPES в Объединённом институте ядерных исследований в Дубровнике — с уникальным источником крайнего ультрафиолета.
Они создали яркие экситоны в долине TMD и проследили их эволюцию, измеряя импульс, спин и заполненность одновременно — впервые в истории. В пикосекунду часть ярких рассеивается фононами (колебаниями решетки) в другие долины, становясь импульсно-тёмными. Затем доминируют спинно-тёмные: спин электрона флипит внутри долины, и они держатся наносекунды.
Так барьер к тёмным экситонам пал, родив "тёмную долинтронику" как новое направление. Доктор Жюльен Мадео из OIST подвел: благодаря TR-ARPES удалось "заглянуть" в тёмные экситоны, нанеся карту их долинной памяти. Дальнейшие шаги по чтению этих свойств расширят горизонты для квантовых сетей и чипов.