In der Realität läuft es nicht immer so, wie man es sich wünscht. Dies gilt insbesondere in der Welt des Lichts. Einem Forschungsteam bei POSTECH ist es jedoch gelungen, „Trions“ zu kontrollieren, ein Durchbruch auf dem Weg zur Entwicklung einer möglicherweise revolutionären optischen Kommunikationstechnologie.
Das Forscherteam unter der Leitung von Professor Kyoung-Duck Park und Ph.D. Dem Kandidaten Hyeongwoo Lee vom Fachbereich Physik an der POSTECH ist es gelungen, hochreine Trionen zu erzeugen, indem er einen nanoskaligen plasmonischen Wellenleiter nutzte und den Ort, an dem die Teilchen erzeugt wurden, kontrollierte.
Exzitonen entstehen, wenn Licht auf Halbleitermaterial fokussiert wird. Das Exziton, eine Bindung aus einem Elektron und einem Loch, ist elektrisch neutral. Durch die Hinzufügung eines weiteren Elektrons zu einem Exziton entsteht ein Trion. Obwohl beide Teilchen zur Herstellung optischer Kommunikationsgeräte und Solarzellen der nächsten Generation verwendet werden, bieten Trionen gegenüber Exzitonen weitere Vorteile. Sie eignen sich besser für praktische Geräteanwendungen, da sie mit einem elektrischen Feld steuerbar sind und eine schwächere Bindungsenergie haben.
Das Team verwendete einen „nanoskaligen plasmonischen Wellenleiter“ mit einer Spaltbreite von etwa 200 nm, um Trionen zu erzeugen. Der Wellenleiter hilft dabei, Licht in „Plasmonen“ umzuwandeln, ein Phänomen kollektiver Elektronenschwingungen. Es schränkt Plasmonen außerdem stark in einem Raum ein, der kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, um sie an den gewünschten Ort zu transportieren.
Wenn ein zweidimensionales Halbleitermaterial auf den Wellenleiter übertragen wird, wird das Material entlang der Rille auf dem Wellenleiter nach oben gedehnt. Durch die Fokussierung von Licht auf das 2D-Material werden im Halbleiter Exzitonen gebildet, die zur Mitte des Wellenleiters fließen, genau wie Wasser, das durch einen Trichter gegossen wird. Die hohe Energie der Plasmonen hilft dabei, die Elektronen im Metallteil des Wellenleiters zum Halbleiter zu transportieren. Die transportierten Elektronen bewegen sich dann in Richtung der Mitte des Wellenleiters, um sich mit Exzitonen zu verbinden und letztendlich Trionen zu erzeugen.
Das Team kontrollierte auch erfolgreich den Ort, an dem Trionen erzeugt werden, indem es Plasmonen mit der Kombination aus adaptiver Optik und Nanooptik räumlich steuerte. Mit dieser Technologie konnten die Forscher sowohl Plasmonen als auch Trionen an der gewünschten Stelle auf dem plasmonischen Wellenleiter erzeugen.
Diese Forschung ist insofern von Bedeutung, als „Licht“ anstelle von „Elektrizität“ eingesetzt wurde. Der Durchgang, durch den sich Licht bewegt, hat dazu beigetragen, eine Lösung für die Entwicklung optischer Geräte zu finden. Es ist auch bedeutsam, dass die Forschung verschiedene Disziplinen zusammenbrachte: „Exzitonik“, die Teilchen wie Exzitonen untersucht, und „Plasmonik“, die Plasmonen erforscht. Wenn wir an unsere Grenzen stoßen, neigen wir dazu, eine Lösung innerhalb unseres Fachgebiets zu finden. Das Team dachte jedoch über den Tellerrand hinaus, um eine Lösung zu finden, die auf der Konvergenz verschiedener Disziplinen basiert.
Es wird erwartet, dass die Forschungsergebnisse wesentlich zur effizienten Steuerung trionbasierter optischer Geräte und zur Entwicklung hocheffizienter Geräte zur optischen Energieumwandlung beitragen werden. Hyeongwoo Lee, der Erstautor des Papiers, sagte: „Ich denke, die Forschung hat ein neues physikalisches Konzept definiert, das Trionen in nanoskaligen Räumen erzeugen und kontrollieren kann. Basierend auf den Forschungsergebnissen skizziere ich Forschungen zu einem weiten Bereich der Information und Kommunikation.“ Technologie mit Halbleiterpartikeln.
Der plasmonische Wellenleiter wurde von einem Team unter der Leitung von Hyuck Choo, Executive Vice President von Samsung Electronics, hergestellt. Die Voranalyse der Proben wurde von einem Team unter der Leitung von Professor Hong Seok Lee und Professor Sangmin An von der Jeonbuk National University durchgeführt. Die im Experiment verwendeten Materialien wurden von einem Team unter der Leitung von Professor Ki Kang Kim von der Sungkyunkwan-Universität vorbereitet; und die Messungen wurden gemeinsam mit Yeonjeong Koo, Huitae Joo und Mingu Kang vom Fachbereich Physik bei POSTECH durchgeführt.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Hyeongwoo Lee et al., Volloptische Kontrolle hochreiner Trionen in nanoskaligen Wellenleitern, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37481-1