Steady-state cooperative emission of interlayer excitons in atomically thin light-emitting diodes
Questo studio dimostra l'emissione cooperativa in stato stazionario di eccitoni interstrato iniettati elettricamente in un LED a 2D TMD atomicamente sottile, evidenziata da distintive firme di correlazione fotonica che si allineano con un modello di equazione master quantistica a molti corpi della superradianza.
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La luce viene solitamente pensata come un flusso di particelle indipendenti, ciascuna delle quali percorre il proprio cammino senza curarsi dei propri vicini. Tuttavia, quando un grande gruppo di atomi o molecole emettitrici di luce è impacchettato abbastanza densamente in uno spazio più piccolo della lunghezza d'onda della luce che producono, essi possono iniziare ad agire come un'unica unità coordinata. In questo stato, l'emissione di un fotone incoraggia gli altri a emettere in sincronia, creando un lampo di luce molto più intenso e correlato rispetto alla somma delle sue parti. Questo fenomeno, noto come emissione cooperativa, è stato osservato in gas e cristalli, ma realizzarlo in materiali allo stato solido a temperature criogeniche è rimasto una sfida significativa. La difficoltà risiede nel fatto che i materiali allo stato solido sono spesso disordinati e caotici, causando la rottura quasi istantanea delle delicate connessioni quantistiche tra gli emettitori. Comprendere come mantenere queste connessioni in un sistema stabile e pilotato elettricamente potrebbe sbloccare nuovi modi per creare sorgenti luminose ultra-efficienti e studiare i comportamenti bizzarri della materia quantistica.
Un team di ricercatori ha ora dimostrato questo comportamento cooperativo in un nuovo tipo di diodo a emissione di luce atomicamente sottile. Hanno costruito un dispositivo utilizzando due diversi strati di un materiale semiconduttore, ciascuno spesso solo una singola molecola, sovrapposti l'uno sull'altro. Quando viene applicata una tensione elettrica, gli elettroni di uno strato e le lacune (l'assenza di elettroni) dell'altro strato vengono attratti l'uno verso l'altro per formare una particella speciale chiamata eccitone interstrato. Questi eccitoni sono unici perché l'elettrone e la lacuna sono separati da un piccolo spazio, il che conferisce loro una lunga vita e li rende più facili da controllare con i campi elettrici. I ricercatori hanno progettato il loro dispositivo in modo che questi eccitoni non si diffondano casualmente attraverso il materiale. Invece, hanno utilizzato la geometria dei bordi del dispositivo per creare un forte campo elettrico che incanalasse gli eccitoni in un'area molto piccola e confinata vicino agli angoli dello stack. Questo confinamento era cruciale, poiché costringeva gli eccitoni a rimanere abbastanza vicini tra loro da interagire l'uno con l'altro attraverso la luce che emettono.
Per vedere se questi eccitoni stessero davvero lavorando insieme, gli scienziati hanno misurato la temporizzazione dei fotoni in uscita dal dispositivo. Hanno cercato un modello specifico nei tempi di arrivo delle particelle di luce. Se la luce provenisse da fonti indipendenti, i fotoni arriverebbero a intervalli casuali. Invece, hanno osservato una distinta firma di cooperazione: i fotoni arrivavano in cluster stretti, o gruppi, seguiti da una breve pausa in cui non arrivavano fotoni, e poi un altro cluster. Questo modello, che si ripeteva nel tempo, è una chiara impronta digitale di un sistema in cui gli emettitori sono legati. I ricercatori hanno scoperto che questo comportamento appariva solo quando gli eccitoni si trovavano in uno stato neutro specifico o quando erano debolmente intrappolati da difetti localizzati nel materiale. Quando aggiungevano troppi elettroni o lacune liberi al sistema, creando un denso "mare" di portatori di carica, l'effetto cooperativo svaniva immediatamente. Ciò suggerisce che gli eccitoni abbiano bisogno di essere in qualche modo isolati e stazionari per mantenere la loro connessione, piuttosto che muoversi liberamente attraverso il materiale.
Il team ha anche scoperto che la forza di questo effetto dipendeva fortemente dalla velocità con cui il dispositivo poteva ripristinare gli eccitoni dopo che avevano emesso luce. Regolando la corrente elettrica, potevano controllare la velocità con cui venivano creati i nuovi eccitoni. Quando il ripristino era lento, gli eccitoni avevano il tempo di organizzarsi in uno stato altamente correlato prima dell'arrivo del lotto successivo, portando a un raggruppamento della luce molto forte. Quando il ripristino era veloce, il sistema diventava caotico e la luce tornava a uno stato casuale e non correlato. I ricercatori hanno utilizzato un modello matematico per descrivere questo processo, trattando gli eccitoni come un gruppo di emettitori che vengono costantemente espulsi dal loro stato eccitato dall'emissione di luce e poi lentamente ricaricati dalla corrente elettrica. Questo modello ha predetto con successo i complessi schemi temporali osservati, inclusi i lunghi ritardi tra i cluster di fotoni.
Inoltre, i ricercatori hanno escluso diverse altre spiegazioni per le loro scoperte. Hanno dimostrato che l'effetto non era causato da una transizione di fase in cui gli eccitoni si condensavano in un singolo stato quantistico, poiché l'emissione rimaneva confinata ai bordi piuttosto che diffondersi in tutto il dispositivo. Hanno anche determinato che l'effetto non era dovuto a semplici fluttuazioni termiche o all'interazione degli eccitoni con elettroni in movimento libero, poiché il comportamento cambiava drasticamente quando la natura dei portatori di carica passava da localizzata a delocalizzata. I risultati puntano a una nuova forma di interazione luce-materia in cui il flusso costante di elettricità guida uno stato quantistico collettivo senza la necessità di una cavità ottica o di specchi laser. Questo lavoro stabilisce una piattaforma per studiare come la luce possa mediare le interazioni tra le particelle in un solido, aprendo la porta a nuovi tipi di dispositivi elettronici che operano sui principi dell'ottica quantistica.
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