Исследователи из Городского университета Нью-Йорка (CUNY) и Техасского университета в Остине достигли значительного прогресса в области нанофотоники, научившись контролировать одно из самых сложных для изучения явлений — тёмные экситоны. Этот прорыв позволяет преобразовывать эти скрытые квантовые состояния в яркие, управляемые источники света, что прокладывает путь к созданию инновационных устройств для квантовых вычислений, сверхчувствительных сенсоров и энергоэффективной фотоники.
Что такое тёмные экситоны и почему они важны?
Тёмные экситоны представляют собой особые квазичастицы, возникающие при связывании света и материи в ультратонких полупроводниках. Их ключевая особенность — крайне слабое свечение, из-за которого они долгое время оставались «невидимыми» для наблюдения. Однако именно это свойство, наряду с их исключительно долгим временем жизни и минимальным взаимодействием с окружающей средой, делает их перспективными носителями информации для квантовых технологий и высокоточных датчиков.
Как учёные «зажгли» невидимое
Для решения задачи команда разработала уникальную наноструктуру — оптический резонатор. Он состоит из золотых наностержней и одноатомного слоя диселенида вольфрама (WSe₂), материала толщиной всего в три атома. Эта точная инженерная конструкция действует как мощный усилитель: она усиливает световое излучение от тёмных экситонов почти в 300 000 раз, делая их не только видимыми, но и доступными для манипуляций в наномасштабе.
«Эта работа демонстрирует, что мы получили доступ к состояниям света и материи, которые раньше считались практически недостижимыми», — пояснил руководитель исследования, профессор физики CUNY Graduate Center Андреа Алю. Он подчеркнул, что возможность включать и выключать эти состояния с наноскопической точностью по требованию является ключевым шагом. «Управление этими скрытыми состояниями открывает захватывающие перспективы для революционного развития оптических и квантовых технологий следующего поколения, включая сенсорику и вычисления».
Тонкий контроль и новые возможности
Исследователи продвинулись ещё дальше, показав, что свойствами тёмных экситонов можно гибко управлять с помощью внешних электрических и магнитных полей.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Такой уровень контроля позволяет тонко настраивать характеристики их излучения, что критически важно для интеграции в чиповую фотонику, системы защищённой квантовой связи и новые поколения датчиков. В отличие от прежних методов, которые часто требовали изменения свойств самого материала, новый подход сохраняет естественную природу полупроводника, достигая рекордного усиления без ущерба для его целостности.Открытие нового семейства и разрешение научного спора
«Наше исследование выявило целое новое семейство тёмных экситонов, так называемых спин-запрещённых, которые ранее никогда не наблюдались», — сообщил первый автор работы Цзяминь Цюань. «Это открытие — лишь начало; оно прокладывает путь для изучения множества других скрытых квантовых состояний в двумерных материалах».
Данная работа также ставит точку в давней дискуссии в научном сообществе. Учёные долго спорили о том, могут ли плазмонные структуры усиливать тёмные экситоны, не нарушая их фундаментальных свойств. Команда из CUNY и UT Austin дала утвердительный ответ, создав точную плазмонно-экcитонную гетероструктуру. Они использовали тончайшие прослойки нитрида бора для изоляции золотых наностержней от полупроводникового материала. Такая деликатная слоистая архитектура позволила сохранить квантовое поведение экситонов, одновременно многократно усиливая их излучение.
Превратив «тёмные» и неуловимые состояния в управляемые и яркие источники света, это исследование знаменует собой серьёзный шаг на пути к созданию квантовых систем нового поколения — более компактных, быстрых и энергоэффективных, чем современные оптические технологии.
Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Nature Photonics.
12.11.2025 123 FacebookXVKontakteOdnoklassnikiTelegram Подпишитесь на нас:Вконтакте / Telegram / Дзен НовостиБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.