Elektrisk nanofälla fångar laddade excitoner och styr kvantljus

När en styrspänning appliceras förändras det landskap som de laddade excitonerna rör sig i. På så sätt kan partiklarna växla mellan att vara relativt fria och att vara starkt instängda i diskreta kvanttillstånd. Fällan är tillräckligt stark för att de separata energinivåerna ska synas tydligt i det utsända ljuset .

En upptäckt som kom oväntat

Projektet var från början inriktat på ett annat fenomen. När forskarna undersökte materialstrukturen lade de märke till ”ovanligt starkt och tydligt avgränsat ljus från ett mycket litet område”. Den oväntade signalen fick dem att studera var ljuset kom ifrån och hur det kunde uppstå .

Mätningar visar verklig kvantinneslutning

För att avgöra om ljuset berodde på äkta kvantinneslutning använde teamet optisk spektroskopi vid låga temperaturer. Med fotoluminescens- och reflektansmätningar kunde de direkt se diskreta excitontillstånd och följa hur nivåerna förändrades när den elektriska styrningen ändrades .

Väl upplösta energinivåer som kan flyttas med spänning är ett kännetecken för att excitonernas rörelse verkligen har kvantiserats. Det skiljer effekten från en enklare, icke-kvantmekanisk lokal inneslutning.

Vägen mot enfotonkällor

Nästa steg är enligt forskarna att kontrollera nanokorallernas geometri ännu mer exakt och driva systemet mot ett tydligt tvånivåregime . I ett sådant system kan en kontrollerad övergång mellan två kvanttillstånd bli grunden för experiment med enfotonemission och fotonkorrelationer.

På längre sikt kan tekniken också bidra till att koppla ihop kvanttillstånd i materia med enskilda fotoner, som kan bära information genom optiska nätverk. Om elektriskt styrda excitonfällor går att tillverka i större och mer enhetliga matriser kan de därför få betydelse för kvantkommunikation, fotoniska processorer och skalbara kvantnätverk . Det är dock framtida mål – inte tillämpningar som redan har demonstrerats i den aktuella studien.