Ученые Университета Оклахомы предсказали существование нового типа экситона в своем исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Эти частицы могут сыграть ключевую роль в развитии будущих квантовых устройств.
Экситоном ученые называют квазичастицу, которая представляет собой долгоживущее возбужденное состояние в наносистеме, состоящее из электрона и положительно заряженной дырки. Движение связанных электрона и дырки в кристалле и сопровождающие это процессы переноса энергии удобно описывать как перемещение частицы. Экситоны наблюдаются в изоляторах и полупроводниках, которые являются основой современных компьютерных технологий.
Исследователи предсказали существование нового типа экситона, называемого топологическим экситоном, который возникает в материалах, известных как изоляторы Черна. Изоляторы Черна — это материалы, которые позволяют электронам вращаться по краю материала, но не проводят электричество внутри. Они спонтанно образуют однонаправленные токи, текущие либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки вдоль краев двумерного материала.
Предсказано, что при определенных условиях экситоны, создаваемые при воздействии света на изоляторы Черна, будут обладать нетривиальными топологическими свойствами. Эти свойства экситонов связаны с топологией электронов и дырок в исходном материале. Когда экситоны распадаются, они, как было предсказано, испускают свет с круговой поляризацией (вектор электрического поля описывает окружность).
Такие топологические экситоны могут быть использованы для разработки нового класса оптических устройств. В частности, при низких температурах экситоны могут образовывать нейтральную сверхтекучую жидкость, что может привести к созданию мощных поляризованных источников света и усовершенствованных фотонных устройств для квантовых вычислений.