Une équipe de chercheurs dirigée par l'UMD a développé une méthode pour piéger les trions à température ambiante dans des nanotubes de carbone à paroi simple. Dans cette image de spectroscopie de photoluminescence, Les trions et les excitons piégés peuvent être vus comme des taches rouge vif sur le fond bleu foncé des émissions du nanotube hôte. Ce nouveau travail permet de manipuler des quasi-particules telles que des trions et d'étudier leurs propriétés fondamentales d'une manière qui n'a jamais été possible auparavant. Crédit :Hyejin Kwon
Les trions sont constitués de trois particules chargées liées entre elles par une très faible énergie de liaison. Bien que les trions puissent potentiellement transporter plus d'informations que les électrons dans des applications telles que l'électronique et l'informatique quantique, les trions sont généralement instables à température ambiante, et les liaisons entre les particules trions sont si faibles qu'elles se désagrègent rapidement. La plupart des recherches sur les trions nécessitent des températures de surfusion, et même alors, leur nature éphémère a rendu les trions difficiles à contrôler et à étudier.
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université du Maryland a découvert une méthode pour synthétiser et piéger de manière fiable des trions qui restent stables à température ambiante. La recherche permet de manipuler des trions et d'étudier leurs propriétés fondamentales. Le travail est décrit dans un document de recherche publié le 16 octobre 2019, dans la revue ACS Science centrale .
"Ce travail rend la synthèse des trions très efficace et fournit une méthode pour les manipuler d'une manière que nous n'avions pas pu faire auparavant, " a déclaré YuHuang Wang, professeur de chimie et de biochimie à l'UMD et auteur principal de l'article. "Avec la capacité de stabiliser et de piéger les trions, nous avons le potentiel de construire un système très propre pour étudier les processus régissant les diodes électroluminescentes et le photovoltaïque et pour développer les technologies de l'information quantique."
Dans la nouvelle étude, Wang et ses collègues ont utilisé une réaction chimique pour créer des défauts à la surface de nanotubes de carbone à paroi unique. Les défauts provoquent des dépressions dans le paysage énergétique de la surface conductrice du nanotube. Ces dépressions peuvent être considérées comme des puits dans lesquels des particules chargées pourraient tomber et se retrouver piégées à l'intérieur.
Après avoir créé les défauts, les chercheurs ont dirigé des photons vers les nanotubes et observé une luminescence brillante sur les sites défectueux. Chaque éclair de luminescence à une longueur d'onde caractéristique indiquait qu'un électron et une particule appelée exciton s'étaient retrouvés piégés sur un site défectueux et liés ensemble en un trion.
Un défaut chimique dans un nanotube de carbone à paroi unique crée une dépression dans le paysage énergétique du nanotube. Au fur et à mesure que les particules chargées traversent la surface conductrice du nanotube, ils peuvent tomber dans cette dépression. Ici, un exciton (en haut à gauche) et un électron (en haut à droite) tombent dans une dépression, deviennent liés ensemble en un trion et sont piégés. Alors que le trion se désintègre, il libère un photon qui peut être observé comme un flash lumineux de luminescence Crédit :Hyejin Kwon
Les excitons ont été créés lorsque les chercheurs ont dirigé des photons vers les nanotubes de carbone. Lorsqu'un nanotube de carbone absorbe un photon, un électron dans le nanotube est pompé de l'état fondamental à un état excité, laissant un trou chargé positivement. Le trou et l'électron sont étroitement liés ensemble, formant une paire électron-trou appelée exciton. Selon les chercheurs, lorsqu'un exciton et un électron tombent dans un puits créé par le défaut chimique, ils se lient en un trion composé de deux électrons et d'un trou. Alors que le trion se désintègre, il libère un photon, résultant en la luminescence brillante que les chercheurs ont observée.
"C'est presque comme amener la physique atomique dans un laboratoire de chimie, " a dit Wang a dit, "parce que le puits résultant du défaut chimique fonctionne comme une sorte de bécher à l'échelle atomique pour un seul événement de 'liaison'. Ce qui est très excitant, est que le niveau d'énergie du trion est dicté par le puits, et nous pouvons utiliser des réactions chimiques pour manipuler le puits. Cela signifie que nous pouvons potentiellement contrôler l'énergie et la stabilité des trions."
Wang a déclaré qu'en modifiant les propriétés du défaut chimique créé à la surface du nanotube, il peut devenir possible de manipuler précisément la charge, spin des électrons et d'autres propriétés des trions qu'ils piègent. Les trions piégés que Wang et ses collaborateurs ont observés dans cette étude étaient plus de sept fois plus brillants que les trions les plus brillants jamais rapportés, et ils ont duré plus de 100 fois plus longtemps que les trions gratuits.
Wang et son équipe ont l'intention de continuer à développer leurs méthodes pour contrôler avec précision la synthèse de trions au niveau de défauts créés intentionnellement sur des nanotubes de carbone et d'étudier les propriétés photophysiques et optiques fondamentales des trions.
La capacité de créer de manière fiable des trions stables avec des propriétés spécifiques aura de larges implications pour des technologies telles que la bio-imagerie, détection chimique, récupération d'énergie, l'informatique à l'état solide et l'informatique quantique.
"Il est intéressant qu'un défaut ne soit pas toujours négatif, et dans notre cas, pourrait conduire à de toutes nouvelles façons de générer des trions et de mener des recherches fondamentales sur ces quasi-particules, " a déclaré l'un des principaux auteurs de l'étude Hyejin Kwon (Ph.D. '16, chimie), qui fait maintenant sa recherche postdoctorale à l'Université du Colorado. Kwon a co-dirigé l'étude avec Mijin Kim (Ph.D. '18, chimie), qui est maintenant stagiaire postdoctoral au Memorial Sloan Kettering Cancer Center.
