Группа ученых из Мэрилендского университета придумала новый метод синтеза и удержания трионов — трех соединенных вместе заряженных частиц — при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале ACS Central Science.

Трионы состоят из трех заряженных частиц, очень слабо связанных друг с другом. Эти структуры потенциально могут передавать больше информации, чем электроны, что можно использовать, например, в электронике и квантовых вычислениях. Но есть одна проблема: трионы обычно нестабильны при комнатной температуре, а связи между составляющими их частицами настолько слабы, что они очень быстро распадаются. Большинство экспериментов с ними требует сверхонизких температур, но даже в этом случае изучать их крайне трудно.

Однако физикам из Мэрилендского университета удалось создать способ синтеза и улавливания трионов, который позволяет им оставаться стабильными даже при комнатной температуре.

Ученые использовали химическую реакцию для создания дефектов на поверхности одностенных углеродных нанотрубок. Дефекты вызывают «ямы» в энергетическом ландшафте проводящей поверхности нанотрубки. Попадающие в них заряженные частицы остаются как бы в ловушке, потому что не могут набрать достаточно энергии и выбраться из нее.

После создания дефектов исследователи направляли фотоны на нанотрубки и наблюдали яркую люминесценцию в местах дефектов. Каждая вспышка люминесценции на характерной длине волны указывала на то, что электрон и экситон — квазичастица электронного возбуждения — соединились и превратились в трион.

Экситоны были созданы, когда исследователи направляли фотоны на углеродные нанотрубки. Когда углеродная нанотрубка поглощает фотон, электрон в ней переходит из основного состояния в возбужденное, оставляя после себя положительно заряженную дырку. Дырка и электрон образуют электронно-дырочную пару, называемую экситоном. По словам исследователей, когда экситон и электрон попадают в «яму», созданную химическим дефектом, они связываются вместе в трион, состоящий из двух электронов и одной дырки. Когда трион распадается, он высвобождает фотон, что приводит к яркой люминесценции, которую наблюдали исследователи.

По словам ученых, изменяя свойства химического дефекта, созданного на поверхности нанотрубки, возможно точно манипулировать зарядом, спином электронов и другими свойствами трионов.

Захваченные структуры, которые наблюдали авторы исследования, были более чем в семь раз ярче, чем когда-либо удавалось наблюдать до этого. Их свечение также длилось в 100 раз дольше, чем у зафиксированных ранее трионов.