Un gruppo di ricerca congiunto della City University of New York e dell'Università del Texas ad Austin ha dimostrato per la prima volta la possibilità di rendere visibili e controllare con precisione nanometrica gli eccitoni oscuri, stati quantistici della materia che normalmente non emettono luce rilevabile. La scoperta, pubblicata il 12 novembre sulla rivista Nature Photonics, apre scenari inediti per lo sviluppo di tecnologie quantistiche e fotoniche di nuova generazione, caratterizzate da maggiore velocità operativa, ridotto consumo energetico e dimensioni ultraminiaturizzate.
Gli eccitoni oscuri si formano in materiali semiconduttori ultrasottili quando un elettrone e una lacuna si legano temporaneamente formando una quasiparticella. A differenza degli eccitoni convenzionali, quelli oscuri rilasciano quantità di luce estremamente deboli, risultando praticamente invisibili ai sistemi di rilevamento. Nonostante questa apparente limitazione, la comunità scientifica li considera da tempo candidati promettenti per applicazioni in informatica quantistica e fotonica avanzata, grazie alla loro stabilità temporale superiore, alla minore sensibilità alle perturbazioni ambientali e alle insolite modalità di interazione con la radiazione elettromagnetica.
Per superare il limite dell'invisibilità, i ricercatori hanno progettato una nanocavità ottica realizzata combinando nanotubi d'oro con un singolo strato di diselenuro di tungsteno (WSe2), un materiale bidimensionale spesso appena tre atomi. Questa architettura ha amplificato la luminosità degli eccitoni oscuri di un fattore straordinario pari a 300.000 volte, rendendoli chiaramente osservabili e permettendo un controllo preciso del loro comportamento quantistico. La struttura funziona come un risonatore plasmonico su scala nanometrica, concentrando il campo elettromagnetico nell'esiguo volume occupato dal materiale bidimensionale.
"Questo lavoro dimostra che possiamo accedere e manipolare stati luce-materia precedentemente inaccessibili", ha dichiarato Andrea Alù, Distinguished and Einstein Professor of Physics presso il CUNY Graduate Center e direttore fondatore della Photonics Initiative presso l'Advanced Science Research Center della CUNY. "Accendendo e spegnendo questi stati nascosti a piacimento e controllandoli con risoluzione nanometrica, apriamo opportunità entusiasmanti per far progredire in modo dirompente le tecnologie ottiche e quantistiche di prossima generazione, incluse quelle per il rilevamento e il calcolo".
Un aspetto particolarmente rilevante della ricerca riguarda la dimostrazione che questi eccitoni oscuri possono essere modulati mediante l'applicazione di campi elettrici e magnetici esterni. Questa capacità di controllo elettromagnetico potrebbe supportare lo sviluppo di nuove architetture per la fotonica integrata su chip, rilevatori ad altissima sensibilità e sistemi di comunicazione quantistica sicura. Significativamente, il metodo preserva le caratteristiche intrinseche del materiale semiconduttore, raggiungendo al contempo livelli record di accoppiamento luce-materia senza alterare le proprietà fondamentali degli stati quantistici.
"Il nostro studio rivela una nuova famiglia di eccitoni oscuri vietati dallo spin che non erano mai stati osservati in precedenza", ha spiegato Jiamin Quan, primo autore della pubblicazione. L'identificazione di questi stati rappresenta solo l'inizio di un percorso esplorativo che potrebbe portare alla scoperta di molti altri stati quantistici nascosti nei materiali bidimensionali, una classe di sostanze con spessore atomico che negli ultimi anni ha rivoluzionato la ricerca in fisica della materia condensata.
La ricerca affronta inoltre una questione dibattuta da tempo nella comunità scientifica della plasmonica: se le strutture plasmoniche possano amplificare gli eccitoni oscuri senza alterarne la natura fondamentale quando collocate in stretta prossimità. I ricercatori hanno risolto questo dilemma progettando un'eterostruttura plasmonica-eccitonica che incorpora strati di nitruro di boro dello spessore di pochi nanometri, rivelatisi essenziali per separare sufficientemente il materiale attivo dalla superficie metallica, preservandone le proprietà quantistiche mentre si beneficia dell'amplificazione plasmonica.
Il lavoro ha ricevuto finanziamenti dall'Air Force Office of Scientific Research, dall'Office of Naval Research e dalla National Science Foundation. Le implicazioni pratiche della scoperta si estendono potenzialmente a dispositivi per il calcolo quantistico operanti a temperatura ambiente, sensori ultrasensibili per applicazioni biomediche e ambientali, e componenti ottici per telecomunicazioni ad altissima velocità. I prossimi passi della ricerca includeranno l'esplorazione sistematica di altri materiali bidimensionali e la dimostrazione di dispositivi funzionali basati su questi principi, con particolare attenzione all'integrazione con le piattaforme tecnologiche esistenti.