Экситоны — это связанные пары электронов и дырок, которые ведут себя как частицы внутри кристаллов. Одни из них, «светлые» экситоны, испускают свет, а значит, их легко обнаружить. Другие, „темные“, не светятся, зато живут гораздо дольше — это делает их идеальными кандидатами для хранения квантовых состояний и создания запутанных частиц.

Экситон — это квазичастица, состоящая из электрона и «дырки» (пустого места, оставшегося после ухода электрона). Они связаны кулоновским притяжением, как протон и электрон в атоме, но существуют внутри твердого тела.

Команда Грегора Вайса из Инсбрукского университета вместе с учеными из Дортмунда, Байройта и Линца придумала, как управлять темными экситонами в квантовых точках.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Специальные лазерные импульсы и магнитное поле позволяют менять спиновое состояние этих экситонов, — объясняют Флориан Каппе и Рене Шварц, ведущие авторы работы. — Мы можем превращать светлые экситоны в темные и наоборот. Так состояние можно «заморозить» в темноте, а потом снова вернуть к жизни.

В эксперименте ученые показали, как экситон переводится в темное состояние, а затем активируется новым лазерным импульсом.

Это открывает новые возможности для квантовой памяти и генерации запутанных фотонов, — говорит Вайс.

Польза исследования

• Квантовая память: Темные экситоны живут дольше, а значит, на их основе можно создать надежные ячейки памяти для квантовых компьютеров.
• Запутанные фотоны: Если научиться переключать экситоны между светлым и темным состояниями, можно генерировать пары фотонов с заданными свойствами — это основа для квантовой криптографии.
• Новые материалы: Метод поможет в разработке полупроводников с управляемыми оптическими свойствами, например, для сверхбыстрой оптической связи.

Эксперимент проводился в строго контролируемых условиях (низкие температуры, точные лазерные настройки). В реальных устройствах — например, в комнатно-температурных квантовых процессорах — реализовать такой контроль будет сложно. Кроме того, пока неясно, как масштабировать метод для работы с множеством экситонов одновременно.

Ранее ученые обнаружили экситоны на поверхности магнитного полупроводника.