激光束（橙色）产生激子（紫色），这些激子（紫色）被电场捕获在半导体材料内。图片来源：Puneet Murthy / ETH Zurich
苏黎世联邦理工学院的研究人员首次成功地使用可控电场将激子（由带负电的电子和带正电的空穴组成的准粒子）捕获在半导体材料中。这项新技术对于创建单光子源以及基础研究非常重要。
在半导体材料中，电流既可以由电子和带正电的空穴或缺失的电子传导。照射到材料上的光也可以将电子激发到更高能带，在原始能带中留下一个空穴。通过静电吸引，电子和空穴现在结合在一起，形成一个所谓的激子，一个准粒子，作为一个整体，表现得像一个中性粒子。由于它们的中性，到目前为止很难将激子保持在材料内部的特定点上。
由物理系教授Ataç Imamoğlu，他的小组博士后Puneet Murthy和机械与工艺工程系教授David Norris领导的科学家团队现在首次成功地使用可控电场将激子捕获在微小空间中，并展示了其运动的量子化。研究人员希望，他们最近发表在科学杂志《自然》上的研究结果将导致光学技术应用的进步以及对基本物理现象的新见解。
一个重要的界面
“激子在半导体和光之间的界面上起着重要作用，”Murthy说。例如，它们被用于光传感器，太阳能电池甚至量子技术的新型单光子源。多年来，以受控的方式捕获它们一直是固态物理学研究的一个雄心勃勃的目标。
ETH的研究人员通过在两个绝缘体之间夹一层薄薄的半导体材料二硒化钼并在顶部和底部添加和电极来创建他们的激子阱。在这种配置中，顶部电极仅覆盖部分材料。因此，施加电压会产生电场，其强度取决于材料内部的位置。反过来，这导致带正电的空穴直接在顶部电极下方的半导体内部积聚，而在其他地方，带负电的电子堆积起来。因此，在半导体的平面上，在这两个区域之间产生电场。
当对顶部和底部电极施加电压时，空穴（蓝色）和电子（红色）积聚在半导体内部。在这两个区域之间产生一个电场，它可以极化和捕获激子（蓝色/红色）。右图：在得到的“陷阱”中，激子被拉向能量最小值。图片来源：Puneet Murthy / ETH Zurich
量子化激子运动
“这种电场在短时间内发生强烈变化，可以非常有效地将激子困在材料中，”博士生，该论文的第一作者Deepankur Thureja解释说，他与Murthy一起进行了实验。虽然激子是电中性的，但它们可以被电场极化，这意味着电子和激子的空穴被拉得更远一些。这导致电偶极子场，它与外部场相互作用，从而对激子施加力。
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亮了材料，并测量了每种情况下的光反射。这样做，他们观察到一系列共振，这意味着在某些波长下，光的反射比预期的更强烈。此外，谐振可以通过改变电极上的电压来调谐。“对我们来说，这是一个明显的迹象，表明电场为激子创造了一个陷阱，并且该陷阱内激子的运动被量子化了，”Thureja说。这里的量子化意味着激子只能采取某些明确定义的能量状态，就像原子内的电子一样。从共振的位置，Imamoğlu和他的同事们能够推断出电场产生的激子阱不到十纳米宽。
