나노 규모의 기술로 “암흑 엑시톤”이 300,000배 더 강하게 빛납니다.

어두운 엑시톤은 초박형 반도체 재료에서 형성되며 희미한 빛만 방출하기 때문에 일반적으로 감지할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고 과학자들은 이 물질이 특이한 방식으로 빛과 상호 작용하고 비교적 오랜 기간 동안 안정적으로 유지되며 주변 환경의 방해를 덜 받아 결어긋남을 줄이는 데 도움이 되기 때문에 오랫동안 양자 정보 및 고급 포토닉스에 유망한 것으로 여겨 왔습니다.

나노크기 디자인으로 암흑 엑시톤 증폭

이러한 숨겨진 상태를 보기 위해 연구진은 원자 3개 두께의 물질인 이셀레나이드 텅스텐(WSe2)의 단일 층과 결합된 금 나노튜브로 만들어진 작은 광학 공동을 만들었습니다. 이 구조는 어두운 엑시톤의 밝기를 300,000배나 증가시켜 이를 명확하게 관찰할 수 있게 하고 동작을 정밀하게 제어할 수 있게 했습니다.

CUNY 대학원 센터 물리학과의 저명한 아인슈타인 교수이자 CUNY 대학원 센터(CUNY ASRC) 첨단 과학 연구 센터의 포토닉스 이니셔티브 창립 이사인 수석 연구원인 Andrea Alù는 “이 연구는 우리가 이전에 도달할 수 없었던 가벼운 물질 상태에 접근하고 조작할 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다. “이 숨겨진 상태를 마음대로 켜고 끄고 나노 수준의 해상도로 제어함으로써 감지 및 컴퓨팅을 포함한 차세대 광학 및 양자 기술을 혁신적으로 발전시킬 수 있는 흥미로운 기회를 열었습니다.”

숨겨진 양자 상태의 전기 및 자기 제어

연구팀은 또한 이러한 암흑 엑시톤이 전기장과 자기장을 사용하여 전환되고 조정될 수 있음을 시연했습니다. 이러한 수준의 제어는 온칩 포토닉스, 고감도 검출기 및 보안 양자 통신을 위한 새로운 설계를 지원할 수 있습니다. 중요한 것은 이 방법이 재료의 원래 특성을 보존하는 동시에 가벼운 물질 결합에서 기록적인 개선을 달성한다는 것입니다.

제1저자인 Jiamin Quan은 “우리의 연구는 이전에 한 번도 관찰된 적이 없는 스핀이 금지된 새로운 암흑 엑시톤 계열을 밝혀냈다”고 말했다. “이 발견은 시작에 불과합니다. 2D 재료에 숨겨진 다른 많은 양자 상태를 탐색할 수 있는 길을 열어줍니다.”

플라즈모닉스의 논쟁 해결

이번 발견은 또한 플라즈몬 구조가 가까이 배치되었을 때 근본적인 특성을 변경하지 않고 암흑 엑시톤을 증폭시킬 수 있는지에 대한 오랜 질문을 다루고 있습니다. 연구진은 나노미터 두께의 질화붕소 층으로 만들어진 플라즈몬-여기자 이종구조를 설계함으로써 이 문제를 해결했는데, 이는 새로 확인된 암흑 여기자를 밝히는 데 필수적인 것으로 입증되었습니다.

이 연구는 공군 과학연구실, 해군연구실, 국립과학재단의 지원을 받았습니다.