通向解决方案路径的光通道

布鲁斯，电影《全能布鲁斯》的主角，一次偶然的机会遇见了上帝，并被赋予了全能的力量。电影的最后他又变回了人，但他很享受那个无所不能、为所欲为的时刻。现实中的事情并不总是如人所愿。在光的世界中尤其如此。然而，POSTECH 的一个研究团队成功控制了“trions”，这是开发最终可能成为革命性光通信技术的突破。

由 POSTECH 物理系的 Kyoung-Duck Park 教授和博士候选人 Hyeongwoo Lee 领导的研究小组通过使用纳米级等离子体波导并控制粒子产生的位置，成功地生产了高纯度的三离子。

当光聚焦在半导体材料上时会形成激子。激子是电子和空穴的结合，是电中性的。一个激子再多一个电子就形成了一个三重子。尽管这两种粒子都用于制造下一代光通信设备和太阳能电池，但三元粒子比激子具有更多优势。它们更适合实际设备应用，因为它们可以用电场控制并且具有较弱的结合能。

该团队使用了间隙宽度约为 200 nm (10 -9m) 创建trions。波导有助于将光转变为“等离子体激元”，这是一种集体电子振荡现象。它还将等离子激元严格限制在小于光波长的空间内，以将它们传输到所需位置。当二维半导体材料被转移到波导上时，材料会沿着波导上的凹槽向上拉伸。将光聚焦到二维材料上会在半导体中形成激子，它们像通过漏斗倒水一样流向波导的中心。等离子体的高能量有助于将波导金属部分中的电子传输到半导体。然后，传输的电子向波导的中心移动，与激子结合，最终产生三重子。

该团队还通过结合自适应光学和纳米光学的空间控制等离子激元，成功地控制了 trion 的产生位置。利用这项技术，研究人员能够在等离子体波导的所需位置产生等离子体激元和三重子。

这项研究的意义在于用“光”代替了“电”。光移动的通道有助于找到解决光学器件发展的方法。同样有意义的是，这项研究汇集了不同的学科：研究激子等粒子的“激子学”和探索等离子体激元的“等离子体激元学”。当面对我们的极限时，我们倾向于在我们的领域内找到解决方案。然而，该团队跳出框框思考，找到了基于不同学科融合的解决方案。

该研究成果有望为基于trion的光学器件的有效控制和高效光转换能量器件的开发做出巨大贡献。该论文的第一作者 Hyeongwoo Lee 说：“我认为这项研究定义了一个新的物理概念，可以在纳米级空间中创建和控制三重子。根据研究结果，我正在勾勒出使用半导体粒子进行广域信息和通信技术的研究。”

等离子体波导由三星电子执行副总裁 Hyuck Choo 领导的团队制造;样品的预分析由全北国立大学的 Hong Seok Lee 教授和 Sangmin An 教授领导的团队进行;实验所用材料由成均馆大学Ki Kang Kim教授领导的团队准备;和测量是与 POSTECH 物理系的 Yeonjeong Koo、Huitae Joo 和 Mingu Kang 一起进行的。

该研究于 2023 年 4 月 12 日发表在国际期刊Nature Communications上，得到了韩国国家研究基金会、科学和信息通信技术部以及三星科学技术基金会的支持。

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