Чтобы упростить описание сложных эффектов в квантовой механике, ученые вводят понятие квазичастиц. Одна из них, называемая экситоном, представляет собой пару «электрон — дырка» и является посредником при переносе энергии между фотоном и электроном. По мнению научного сообщества, такое посредничество квазичастиц поможет совместить оптику с электроникой и создать принципиально новый класс техники, более энергоэффективной и компактной. Однако пока образцы устройств на экситонах либо работают только при низких температурах, либо сложны в изготовлении, что затрудняет их массовое внедрение.
В новой работе ученые из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге, Лейпцигского университета в Германии и Технического университета Эйндховена в Нидерландах смогли, меняя параметры света, не только сгенерировать экситоны при комнатной температуре, но и управлять ими. При этом авторам удалось контролировать квазичастицы со сверхвысокой чувствительностью, порядка сотен фемтосекунд, а также записать с их помощью информацию. Это стало возможным благодаря использованию особого класса материалов, называемых металл-органическими каркасами.
Металл-органический каркас (МОК), синтезированный в Университете ИТМО, имеет слоистую структуру. Между слоями существует физическое притяжение, называемое Ван-дер-Ваальсовым. Чтобы пластинки не сближались произвольно, ученые заполнили межслоевое пространство органической жидкостью, которая обеспечивает трехмерность каркаса.
Исследователи научились по отдельности возбуждать в таком кристалле два вида экситонов: внутрислойные и межслойные. Первые образуются, когда поглощенный кристаллом фотон становится электрон-дырочной парой в пределах одного слоя, а вторые — когда электрон и дырка принадлежат соседним слоям. Спустя время и те, и другие квазичастицы распадаются, вновь излучая энергию в виде фотона. Но пока экситоны существуют, они могут перемещаться по кристаллу.
Время жизни внутрислойных экситонов относительно мало, но их высокая плотность и подвижность позволяют использовать эти квазичастицы для генерации света, например, в светодиодах и лазерах. Межслоевые экситоны более живучи, но малоподвижны, поэтому ученые предлагают применять их для записи информации на кристалле. Для обработки оптического сигнала, по мнению физиков, пригодны оба типа экситонов.
Новаторский подход к записи информации состоит в том, чтобы, меняя расстояние между слоями, «включать» и «выключать» межслойные экситоны.
«С помощью лазера мы локально подогревали кристалл. В месте облучения слои слипались, и свечение экситонов исчезало, тогда как весь остальной кристалл продолжал люминесцировать. Это могло означать, что мы записали 1 бит информации, причем запись, а именно темное пятно, хранилась много дней. Чтобы стереть данные, достаточно опустить МОК в ту же органическую жидкость, которая поддерживает слои. Сам кристалл при этом не пострадает, а записанная информация (темное пятно) исчезнет», — комментирует Валентин Миличко, первый автор статьи, доцент кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Авторы полагают, что в будущем новый материал поможет привести обработку оптического сигнала к привычной схеме нулей и единиц.
«Фактически, мы можем влиять на поведение экситонов в кристалле, меняя интенсивность света. При слабом облучении экситоны сохраняются (состояние „1“), но если мощность лазера увеличить, то концентрация квазичастиц возрастет настолько, что они могут мгновенно распасться (состояние „0“)», — говорит Валентин Миличко.
Обычно экситоны возникают в диэлектриках и полупроводниковых кристаллах, но ученым удалось создать квазичастицы и получить над ними контроль в совершенно ином классе материалов, который прежде не использовался для этого. Кристалл МОК объединяет в себе органические компоненты с неорганическими, что придает ему дополнительные свойства, недоступные материалам одной природы. Так, органическая составляющая позволяет возбуждать экситоны уже при комнатной температуре, а неорганическая обеспечивает их эффективное перемещение по кристаллу.
Статья: Valentin A. Milichko, Sergey V. Makarov, Alexey V. Yulin, Alexander V. Vinogradov, Andrei A. Krasilin, Elena Ushakova, Vladimir P. Dzyuba, Evamarie Hey-Hawkins, Evgeny A. Pidko, Pavel A. Belov (2017), Van der Waals metal-organic framework as an excitonic material for advanced photonics, Advanced Materials.
