На свете существуют весьма экзотические и уникальные квазичастицы, называемые трионами (Trions), которые состоят из трех заряженных частиц, связанных слабыми энергетическими силами. Такая квазичастица может быть носителем большего количества информации, чем фотон или другая одиночная элементарная частица, что может быть использовано в области электроники, квантовых коммуникаций и вычислений. Однако, трионы весьма нестабильны при комнатной температуре, силы связи в них настолько слабы, что они распадаются практически моментально после образования. Во всех экспериментах, в которых ученые пытаются работать с трионами, используются криогенные температуры, но и даже тогда стабильность данных квазичастиц оставляет желать лучшего.
Исследователи из университета Мэриленда нашли способ, позволяющий синтезировать трионы и удерживать их в ловушке, стабилизирующей их при комнатной температуре. Данное достижение позволит теперь ученым сосредоточиться на изучении свойств этих квазичастиц и разработать новые технологии с их применением.
В своих исследованиях ученые использовали специальные химические реакции для создания дефектов особого рода на поверхности одностенных углеродных нанотрубок. Эти дефекты приводят к появлению неоднородности электрической проводимости поверхности нанотрубки так, что дефекты работают подобно колодцам, в которые могут падать заряженные частицы, улавливаемые в потенциальную ловушку внутри нанотрубки.
После подготовки нанотрубок ученые осветили их светом лазера и наблюдали яркое люминесцентное свечение на краях дефекта. Это свечение, имеющее строго определенную длину волны, указывает на то, что электрон и квазичастица, называемая экситоном, пойманные в ловушку в месте дефекта, связываются и образуют трион.
Экситоны возникают на поверхности углеродной нанотрубки, когда в нее ударяет фотон света, возбуждающий один из электронов, который покидает пределы своего атома и становится свободным электроном, оставляя за собой электронную дырку. В некоторых случаях этот свободный электрон и дырка остаются в связанном состоянии, формируя квазичастицу - экситон. Когда экситон и электрон проваливаются в "колодец" дефекта, они сцепляются и формируют трион, состоящий из двух электронов и электронной дырки. После этого трион распадается, испускает фотон света, что приводит к яркому люминесцентному свечению, наблюдаемому исследователями.
"Это весьма походит на проявление физики элементарных частиц в химической лаборатории" - пишут исследователи, - "Полученный химическим способом дефект работает как своего рода мензурка на уровне атомов и отдельных частиц, позволяя смешивать эти частицы и получать из них новые "соединения". И то, что является самым важным в этом деле, это то, что энергетический уровень получаемых трионов достаточно высок для того, чтобы они могли существовать время, достаточное для их изучения".
Изменяя параметры химических реакций, исследователи могут изменять свойства дефектов на поверхности нанотрубок так, что становится возможным управление зарядом, спинов электронов и другими характеристиками трионов, которые формируются внутри ловушки. Созданные исследователями трионы были в семь раз более яркими (высокоэнергетическими), чем трионы, создаваемые когда-либо ранее. Кроме этого, эти яркие трионы, заключенные в ловушке, сохраняют стабильность в 100 раз дольше, чем обычные свободные трионы.
В будущем исследователи собираются продолжить развитие своих методов с целью получения большего уровня контроля синтезом трионов, что позволит им изучить их оптические свойства и связанные с ними фундаментальные фото- и физические явления. А в дальнейшем возможность создания стабильных трионов позволит разработать целый ряд совершенно новых технологий в области съемки биологических объектов, химического анализа, альтернативной энергетики, квантовых вычислений и т.п.
