Ученые из Японии получили практическое доказательство существования в нанотрубках квазичастиц трионов. Их первые наблюдения теперь должны подтвердить коллеги из других научных групп.
Естественные науки во многом развиваются благодаря неожиданным измерениям. Иногда, правда, бывает и наоборот, когда экспериментальное подтверждение следует за теоретическими предсказаниями.В частности, физика твердого тела представляет нам массу примеров частиц, которые сначала предсказывались теоретически и лишь потом наблюдались на эксперименте, или наблюдались, но пока еще не во всех ожидаемых ситуациях. Ближайший пример из области полупроводников – трионы, комплексы, состоящие из связанных электрона и двух дырок проводимости. Эти квазичастицы вызывают повышенный интерес ученых за счет своего потенциала в электронных устройствах будущего. Поэтому они наблюдались уже в самых различных полупроводниках. Но до недавнего времени ученые не могли получить практические доказательства их существования в углеродных нанотрубках.
Похоже, работа, опубликованная недавно группой японских ученых из Kyoto University в журнале Physical Review Letters, положит конец всем сомнениям, ведь они сообщили о первом наблюдении трионов в полупроводниковых нанотрубках дырочного типа. Если их эксперимент будет повторен другими группами, его можно будет назвать главным прорывом отрасли за последние несколько лет.
Как известно, углеродные нанотрубки представляют собой двумерные листы атомов углерода с гексагональной кристаллической структурой, свернутые в трубки диаметром несколько нанометров. В зависимости от диаметра трубки и способа сворачивания листа графена, трубки могут проявлять различные электронные свойства: быть как проводниками, так и полупроводниками. При этом различные типы нанотрубок отличаются на эксперименте при помощи спектрального анализа. Впервые нанотрубки наблюдались еще в 1991 году, за много лет до открытия графена. С этого момента к ним не угасал научный интерес, ведь постоянно открывались новые грани структурных, электронных и оптических свойств этих объектов.
Полупроводниковые нанотрубки могут в будущем сыграть значительную роль в развитии наноэлектроники. При этом процессы, происходящие в них, в деталях отличаются от обычных полупроводников. Когда полупроводник поглощает фотон, происходит рождение пары носителей заряда электрон-дырка. Такая пара может связываться силами Кулона, образуя неразделимую пару – квазичастицу под названием экситон. Паре может потребоваться всего несколько наносекунд на то, чтобы снова соединиться, порождая фотон. Но в отдельных полупроводниках экситоны могут существовать достаточно долго. Так, например, происходит в нанотрубках, где экситоны могут свободно путешествовать вдоль оси трубки. Исследования ученых заключались в добавлении к экситону дополнительной дырки проводимости, т.е. создании так называемого триона, важной особенностью которого является подверженность действию электростатических сил. Проблема заключается в том, что трион не является стабильным, т.е. достаточно быстро может произойти рекомбинация пары электрон-дырка, при этом лишняя энергия будет передана второй дырке, входившей в состав триона. Однако группа японских ученых нашла методики решения этой проблемы. Зафиксированные ими на эксперименте спектры показали, что трионы в нанотрубках дырочного типа образуются вне зависимости от используемой акцепторной примеси.
Ученым еще предстоит изучить все особенности поведения нового типа квазичастиц, однако сам факт их наблюдения уже чрезвычайно важен для всего направления.
