Badacze z City University of New York oraz University of Texas w Austin opracowali metodę, która nie tylko pozwala zaobserwować ciemne ekscytony, ale także kontrolować ich zachowanie z niespotykaną dotąd precyzją. Ich praca, opublikowana w Nature Photonics, wskazuje na potencjalne zastosowania w komunikacji kwantowej i miniaturowych urządzeniach fotonicznych.
Ciemne ekscytony to szczególne stany kwantowe
Ciemne ekscytony to szczególne stany kwantowe występujące w materiałach półprzewodnikowych o grubości zaledwie kilku atomów. Ich nazwa doskonale oddaje naturę – praktycznie nie emitują światła, co czyniło je niewidzialnymi dla konwencjonalnych technik pomiarowych. Paradoksalnie, ta pozorna wada okazuje się ich największą zaletą w kontekście przyszłych technologii.
Czytaj też: Koniec ery teoretycznych spekulacji o supremacji kwantowej. Naukowcy przedstawili niepodważalne dowody
Co wyróżnia te stany, to wyjątkowo długi czas życia i niezwykła odporność na zakłócenia zewnętrzne. Podczas gdy zwykłe ekscytony szybko tracą swoje kwantowe właściwości w wyniku interakcji z otoczeniem, ich ciemne odpowiedniki potrafią utrzymać spójność przez znacznie dłuższy okres. Ta cecha wydaje się kluczowa dla systemów kwantowych, gdzie dekoherencja stanowi jeden z fundamentalnych problemów.
Kluczem do sukcesu okazała się specjalna nanostruktura łącząca złote nanorurki z pojedynczą warstwą dwuselenku wolframu – materiału grubości zaledwie trzech atomów. Ta precyzyjnie zaprojektowana wnęka optyczna zadziałała jak niezwykle skuteczny wzmacniacz, zwiększając emisję światła ok. 300 tys. razy. Tak spektakularne wzmocnienie pozwoliło nie tylko zaobserwować te dotąd ukryte stany, ale także szczegółowo badać ich właściwości.
Co ważne, cała konstrukcja zachowuje naturalne cechy materiału bez modyfikowania fundamentalnej natury samych ekscytonów. To rozwiązanie kończy trwającą od lat dyskusję w środowisku naukowym dotyczącą możliwości wzmacniania takich stanów bez zakłócania ich kwantowego charakteru.
Sam fakt obserwacji to jednak dopiero początek możliwości. Zespół wykazał, że może kontrolować te stany za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, włączając i wyłączając je zgodnie z potrzebami. Taka precyzyjna regulacja w nanoskali otwiera zupełnie nowe perspektywy praktycznego wykorzystania.
Możliwość manipulowania stanami kwantowymi stanowi podstawę dla przyszłych technologii. W komunikacji kwantowej mogłaby umożliwić tworzenie bezpieczniejszych kanałów przesyłu danych, zaś w czujnikach – detekcję zjawisk z dotąd nieosiągalną czułością. W przypadku komputerów kwantowych mogłaby przyczynić się do budowy stabilniejszych kubitów.
Badania ujawniły nie tylko metody kontroli znanych już ciemnych ekscytonów, ale także całą rodzinę dotąd nieobserwowanych stanów kwantowych o zakazanej konfiguracji spinowej. To sugeruje, że w dwuwymiarowych materiałach ultracienkich może kryć się znacznie więcej ukrytych stanów, niż początkowo zakładano.
Dwuwymiarowe materiały, takie jak wykorzystany w badaniach dwuselenek wolframu, to stosunkowo młoda dziedzina nauki. Od wyizolowania pierwszego takiego materiału – grafenu – minęły zaledwie dwie dekady, a już odkryto całą gamę podobnych struktur, z których każda ujawnia nowe, fascynujące właściwości kwantowe. Obecne badania pokazują, że wciąż daleko nam do pełnego zrozumienia ich potencjału.
Prace wspierane przez Air Force Office of Scientific Research, Office of Naval Research oraz National Science Foundation mogą przyspieszyć rozwój nowej generacji technologii optycznych i kwantowych. Choć od laboratoryjnych eksperymentów do komercyjnych rozwiązań droga bywa długa, możliwość manipulowania stanami, które dotąd pozostawały niedostępne, stanowi wyraźny krok naprzód w wykorzystaniu pełnego potencjału mechaniki kwantowej w nanoskali.