苏黎世联邦理工学院(ETH)的研究人员首次成功地使用可控电场在半导体材料中捕获了激子。激子是由带负电的电子和带正电的空穴组成的一种准粒子。他们的这项新技术对于创建单光子源以及进行基础研究是非常重要的。

在半导体材料中，电流既可以由电子传导，也可以由带正电的空穴来传导。撞击材料的光也可以将电子激发到更高的能带上，并在原始能带中留下一个空穴。通过静电引力，电子和空穴能结合起来产生所谓的激子，这是一种准粒子，整体上表现得像一个中性粒子。由于激子是中性的，迄今为止很难将激子保持在材料内部的特定点。

现在，由ETH物理系教授Ataç Imamoğlu、博士后Puneet Murthy和机械与过程工程系教授David Norris领导的一个科学家团队，他们首次使用可控电场成功地将激子捕获在一个微小的空间中。并且还展示了它们运动的量子化。研究人员希望，他们这一最近发表在科学杂志《自然》上的研究结果将能推动光学技术应用的进步，以及能提供对基本物理现象的新见解。

一个重要的接口

激子在半导体和光的界面上扮演着重要的角色。例如，它们被用于光传感器、太阳能电池，甚至是用于量子技术的新型单光子源。多年来，以可控的方式捕获它们一直是固态物理学中雄心勃勃的研究目标。

ETH的研究人员通过在两个绝缘体之间夹入一层薄薄的半导体材料“二硒化钼”，并在其顶部和底部添加电极来制造激子陷阱。在这个配置中，顶部电极仅覆盖部分材料。因此，施加的电压会产生电场，其强度取决于材料内部的位置。反过来，这会导致带正电的空穴在顶部电极正下方的半导体内部积聚，而在其他地方会有带负电的电子堆积在一起。因此在半导体平面上，电场会在这两个区域之间产生。

量子化的激子运动

与Murthy一起进行这个实验的学生和该论文的主要作者Deepankur Thureja博士解释说：“这种电场在短距离内发生了强烈的变化，可以非常有效地捕获材料中的激子”。尽管激子是电中性的，但它们可以被电场极化，这意味着激子的电子和空穴被拉得更远了一些。这导致形成了一个电偶极子场，它与外部场相互作用，从而对激子施加了一个捕获它的力。

为了通过实验证明这一原理确实有效，研究人员用不同波长的激光照射了这种材料，并测量了每种情况下的光反射。通过这样做，他们观察到了一系列的共振，这意味着在某些波长下，光的反射比预期要更强烈。此外，可以通过改变电极上的电压来调节共振。Thureja说：“对我们来说，这是一个明确的迹象，它表明电场为激子创造了一个陷阱，并且该陷阱内的激子运动被量子化了。”这里的量子化意味着激子只能呈现某些明确定义的能量状态，就像原子内部的电子一样。

在量子信息处理中的应用

这种强捕获的激子对于实际应用和基础研究问题都是非常重要的。到目前为止，电可控激子陷阱是链条中缺失的一环。例如，物理学家现在可以将许多这样的俘获激子串在一起并调整它们，使它们能发射出具有完全相同特性的光子。

Murthy解释说：“这将允许人们为量子信息处理创建相同的单光子源”。Imamoğlu补充道：“这些陷阱还为基础研究开辟了新的视角。除此之外，它们将使我们能够研究强相互作用下激子的非平衡状态。”（编译：Qtech）