Un equipo de investigadores dirigido por la UMD ha desarrollado un método para atrapar triones a temperatura ambiente en nanotubos de carbono de pared simple. En esta imagen de espectroscopia de fotoluminiscencia, Los triones y excitones atrapados pueden verse como puntos rojos brillantes contra las emisiones de fondo azul oscuro del nanotubo anfitrión. Este nuevo trabajo permite manipular cuasipartículas como triones y estudiar sus propiedades fundamentales de formas que nunca antes habían sido posibles. Crédito:Hyejin Kwon
Los triones consisten en tres partículas cargadas unidas por una energía de enlace muy débil. Aunque los triones pueden transportar potencialmente más información que los electrones en aplicaciones como la electrónica y la computación cuántica, triones son típicamente inestables a temperatura ambiente, y los enlaces entre las partículas de trion son tan débiles que se deshacen rápidamente. La mayoría de las investigaciones sobre triones requieren temperaturas sobreenfriadas, y aún entonces, su naturaleza fugaz ha hecho que triones sea difícil de controlar y de estudiar.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Maryland ha descubierto un método para sintetizar y atrapar de manera confiable triones que permanecen estables a temperatura ambiente. La investigación permite manipular triones y estudiar sus propiedades fundamentales. El trabajo se describe en un artículo de investigación publicado el 16 de octubre de 2019, en el diario Ciencia Central ACS .
"Este trabajo hace que la síntesis de triones sea muy eficiente y proporciona un método para manipularlos de formas que no habíamos podido hacer antes, "dijo YuHuang Wang, profesor de química y bioquímica en la UMD y autor principal del artículo. "Con la capacidad de estabilizar y atrapar triones, tenemos el potencial para construir un sistema muy limpio para estudiar los procesos que gobiernan los diodos emisores de luz y la energía fotovoltaica y para desarrollar tecnologías de información cuántica ".
En el nuevo estudio, Wang y sus colegas utilizaron una reacción química para crear defectos en la superficie de nanotubos de carbono de pared simple. Los defectos provocan depresiones en el panorama energético de la superficie conductora del nanotubo. Estas depresiones pueden considerarse como pozos en los que las partículas cargadas que fluyen pueden caer y quedar atrapadas en su interior.
Después de crear los defectos, los investigadores dirigieron fotones a los nanotubos y observaron luminiscencia brillante en los sitios de los defectos. Cada destello de luminiscencia en una longitud de onda característica indicaba que un electrón y una partícula llamada excitón habían quedado atrapados en un sitio defectuoso y unidos en un trión.
Un defecto químico en un nanotubo de carbono de pared simple crea una depresión en el panorama energético del nanotubo. A medida que las partículas cargadas fluyen a través de la superficie conductora del nanotubo, pueden caer en esta depresión. Aquí, un excitón (arriba a la izquierda) y un electrón (arriba a la derecha) caen en una depresión, se unen en un trion y quedan atrapados. Mientras el trion decae, libera un fotón que se puede observar como un destello brillante de luminiscencia Crédito:Hyejin Kwon
Los excitones se crearon cuando los investigadores dirigieron fotones a los nanotubos de carbono. Cuando un nanotubo de carbono absorbe un fotón, un electrón en el nanotubo se bombea desde el estado fundamental a un estado excitado, dejando atrás un agujero que está cargado positivamente. El agujero y el electrón están estrechamente unidos, formando un par electrón-hueco llamado excitón. Según los investigadores, cuando un excitón y un electrón caen en un pozo creado por el defecto químico, se unen en un trión que consta de dos electrones y un agujero. Mientras el trion decae, libera un fotón, resultando en la luminiscencia brillante que observaron los investigadores.
"Es casi como llevar la física atómica a un laboratorio de química, "dijo Wang dijo, "porque el pozo resultante del defecto químico funciona como una especie de vaso de precipitados a escala atómica para un solo evento de 'unión'. Lo que es muy emocionante, es que el nivel de energía del trion lo dicta el pozo, y podemos usar reacciones químicas para manipular el pozo. Esto significa que potencialmente podemos controlar la energía y la estabilidad de triones ".
Wang dijo que al alterar las propiedades del defecto químico creado en la superficie del nanotubo, puede ser posible manipular con precisión la carga, espín de electrones y otras propiedades de los triones que atrapan. Los triones atrapados que Wang y sus colaboradores observaron en este estudio eran más de siete veces más brillantes que los triones más brillantes jamás reportados. y duraron más de 100 veces más que los triones libres.
Wang y su equipo tienen la intención de continuar desarrollando sus métodos para controlar con precisión la síntesis de triones en defectos creados intencionalmente en nanotubos de carbono y estudiar las propiedades ópticas y fotofísicas fundamentales de los triones.
La capacidad de crear de forma fiable triones estables con propiedades específicas tendrá amplias implicaciones para tecnologías como la bioimagen, detección química, recolección de energía, Computación de estado sólido y computación cuántica.
"Es interesante que un defecto no siempre sea negativo, y en nuestro caso, podría conducir a formas completamente nuevas de generar triones y realizar investigaciones fundamentales sobre estas cuasi-partículas, "dijo uno de los autores principales del estudio, Hyejin Kwon (Ph.D. '16, química), quien ahora está haciendo su investigación postdoctoral en la Universidad de Colorado. Kwon codirigió el estudio con Mijin Kim (Ph.D. '18, química), quien ahora es becario postdoctoral en el Memorial Sloan Kettering Cancer Center.
