Группа исследователей из Городского университета Нью-Йорка и Университета Техаса в Остине обнаружила способ заставить ранее скрытые состояния света, известные как тёмные экситоны, ярко светиться и контролировать их излучение на наноуровне. Их выводы, [опубликованные](https://www.nature.com/articles/s41566-025-01788-w) сегодня в Nature Photonics, открывают путь к более быстрым, компактным и энергоэффективным технологиям.
Тёмные экситоны — это экзотические состояния света и вещества в атомарно тонких полупроводниках, которые обычно остаются невидимыми, поскольку излучают свет очень слабо. Однако эти состояния весьма перспективны для квантовой информации и передовых фотонных приложений благодаря своим уникальным свойствам взаимодействия света и вещества, длительному времени жизни и сниженному взаимодействию с окружающей средой, что приводит к уменьшению декогеренции.
Чтобы выявить эти неуловимые состояния, команда разработала наноразмерный оптический резонатор с помощью золотых нанотрубок и одного слоя диселенида вольфрама (WSe₂) — материала толщиной всего в три атома. Эта конструкция усилила световое излучение от тёмных экситонов в поразительные 300 000 раз, сделав их не только видимыми, но и управляемыми.
«Эта работа показывает, что мы можем получить доступ к состояниям света и вещества, которые ранее были недоступны, и управлять ими», — сказал главный исследователь проекта Андреа Алу, выдающийся профессор физики в Центре выпускников Городского университета Нью-Йорка и директор-основатель Инициативы по фотонике в Центре передовых научных исследований при Центре выпускников Городского университета Нью-Йорка (CUNY ASRC).
«Включая и выключая эти скрытые состояния по своему желанию и контролируя их с наносным разрешением, мы открываем захватывающие возможности для прорывного развития оптических и квантовых технологий следующего поколения, включая сенсоры и вычисления».
Исследовательская группа также продемонстрировала, что этими тёмными состояниями можно управлять по требованию с помощью электрических и магнитных полей, обеспечивая точный контроль для потенциального применения в чип-оптике, датчиках и квантовой связи. В отличие от предыдущих попыток, этот подход сохраняет естественные свойства материала, одновременно достигая рекордного усиления связи света и вещества.
«Наше исследование выявляет новое семейство спин-запрещённых тёмных экситонов, которые ранее никогда не наблюдались», — сказал Джиамин Куан, первый автор исследования. «Это открытие — только начало — оно открывает путь к исследованию многих других скрытых квантовых состояний в двумерных материалах».
Это открытие также разрешает давние споры о том, могут ли плазмонные структуры действительно усиливать тёмные экситоны, не изменяя их природу при тесном контакте. Авторы решили эту задачу, тщательно разработав плазмонно-экситонную гетероструктуру с использованием нанометровых слоёв нитрида бора, что стало ключом к открытию новых тёмных экситонов, наблюдаемых командой.
Предоставлено Центром передовых научных исследований при Городском университете Нью-Йорка.