Niewidzialne cząstki wreszcie schwytane
Badania opublikowane w Nature Communications pokazują, jak naukowcom po raz pierwszy udało się bezpośrednio zaobserwować ciemne ekscytony. Wykorzystali do tego jeden z najbardziej zaawansowanych systemów spektroskopowych na świecie. Ciemne ekscytony to kwazicząstki składające się z par elektron-dziura, które z natury nie oddziałują ze światłem. Występują w dwóch podstawowych odmianach: ekscytony z pędem powstają, gdy elektron i dziura znajdują się w różnych dolinach energetycznych kryształu, natomiast ekscytony ze spinem tworzą się, gdy cząstki mają niedopasowane właściwości spinowe. Eksperyment przeprowadzono na monowarstwowym disulfidzie wolframu schłodzonym do temperatury -183 stopni Celsjusza. W tych warunkach naukowcy zaobserwowali coś zaskakującego – ciemne ekscytony z pędem dominowały przez 85% czasu po upływie pierwszej pikosekundy.
Czytaj też: Fizyka fuzji jądrowej do zmiany! Naukowcy potwierdzili kluczowe zjawisko
Różnica w czasie życia między zwykłymi a ciemnymi ekscytonami okazała się imponująca. Podczas gdy jasne ekscytony traciły polaryzację dolinową w ciągu kilkuset femtosekund, ich ciemne odpowiedniki utrzymywały ponad 40% polaryzacji przez co najmniej 10 pikosekund. To niemal sto razy dłużej.
Ciemne ekscytony mają ogromny potencjał jako nośniki informacji, ponieważ z natury rzadziej wchodzą w interakcje ze światłem, a tym samym są mniej podatne na degradację swoich właściwości kwantowych – wyjaśnia Keshav Dani z OIST
Procesy formowania się obu typów ciemnych ekscytonów przebiegały w różnym tempie. Ekscytony z pędem powstawały głównie przez rozpraszanie fononowe między dolinami w czasie 0,8 pikosekundy, podczas gdy ekscytony ze spinem formowały się wolniej, lecz również wykazywały selektywność dolinową.
Co dalej z ciemnymi ekscytonami?
Odkrycie otwiera drogę do rozwoju tak zwanej ciemnej “valleytroniki”, czyli dziedziny, która mogłaby zrewolucjonizować sposób przechowywania i przetwarzania informacji. W przeciwieństwie do tradycyjnej elektroniki wykorzystującej ładunek elektronów czy spintroniki operującej na spinach, valleytronika koduje informacje w stanach pędowych elektronów.
W ogólnej dziedzinie elektroniki manipuluje się ładunkiem elektronów do przetwarzania informacji. W dziedzinie spintroniki wykorzystujemy spin elektronów do przenoszenia informacji. Idąc dalej, w valleytronice struktura krystaliczna unikalnych materiałów pozwala nam kodować informacje w odrębnych stanach pędowych elektronów, znanych jako doliny – wyjaśnia Xing Zhu, współautor badania
Główną zaletą ciemnych ekscytonów jest ich naturalna odporność na dekoherencję. Jest to proces niszczenia delikatnych stanów kwantowych przez interakcje z otoczeniem. Obecne kubity kwantowe wymagają chłodzenia do temperatur bliskich zeru absolutnemu, co czyni systemy kwantowe niezwykle kosztownymi i skomplikowanymi. Z drugiej strony, badania pokazały, iż przy wyższych temperaturach lub większej intensywności wzbudzenia polaryzacja dolinowa zanikała w ciągu pikosekundy, co podkreśla delikatność tych stanów. Przyszłość tej technologii zależy od opracowania metod kontrolowanego “rozjaśniania” ciemnych ekscytonów, co umożliwi pełną kontrolę nad inicjalizacją i odczytem stanów kwantowych. Jeśli chodzi o praktyczne zastosowania, to naukowcy muszą najpierw opracować skuteczne metody manipulacji tymi cząstkami, co w przypadku ich “niewidzialnej” natury stanowi nie lada wyzwanie.
Czytaj też: Nierozwiązywalne problemy w fizyce istnieją naprawdę. Yuuya Chiba właśnie dostarczył matematyczny dowód
Potencjał jest jednak ogromny. Jeśli uda się wykorzystać naturalną izolację ciemnych ekscytonów od światła i innych czynników środowiskowych, mogłyby one zachowywać swoje właściwości kwantowe w mniej ekstremalnych warunkach niż obecne rozwiązania. To z kolei mogłoby prowadzić do stworzenia praktycznych komputerów kwantowych działających w wyższych temperaturach. Na razie pozostaje nam obserwować rozwój tej fascynującej, a kolejne lata pokażą, czy ciemne ekscytony rzeczywiście spełnią pokładane w nich nadzieje i zmienią oblicze technologii kwantowych.