Физики открыли «квантовую капельку» в полупроводнике

Физики из JILA использовали сверхбыстрый лазер и помощь немецких теоретиков, чтобы открыть новую квазичастицу в полупроводнике – небольшое количество частиц, которые конденсируются в подобие жидких капель.

Новая квазичастица является микроскопическим комплексом электронов и дырок в новом непарном размещении. Исследователи называют это «квантовой капелькой», поскольку она имеет квантовые характеристики, такие как вполне упорядоченные энергетические уровни, но также имеет и некоторые из характеристик жидкости. Она может, например, пульсировать. Квантовая капля отличается от знакомой жидкости, к примеру, воды, потому что она имеет конечный размер, за пределами которого связь между электронами и дырками исчезает.

Хотя время ее жизни составляет лишь мимолетные 25 пикосекунд (триллионных долей секунды), квантовая капелька достаточно стабильна для исследования того, как свет взаимодействует со специализированными формами материи.

«Подобные капельки известны в полупроводниках, но они, как правило, содержат от тысяч до миллионов электронов и дырок, – говорит физик из JILA Стивен Кандифф (Steven Cundiff), который изучает свойства современных лазеров и то, что они «рассказывают» о материи. – Здесь мы говорим о капельке, примерно, с пятью электронами и пятью дырками. Что касается практической пользы, никто не собирается построить квантовый капельный виджет. Однако это имеет косвенные выгоды в плане улучшения нашего понимания того, как электроны взаимодействуют в различных ситуациях, в том числе в оптико-электронных устройствах».

Команда JILA создала новую квазичастицу с помощью возбуждения полупроводника арсенида галлия сверхбыстрым красным лазером, излучающего около 100 миллионов импульсов в секунду. Импульсы первоначально образуют экситоны, которые, как известно, могут перемещаться по всему полупроводнику. По мере увеличения интенсивности лазерного импульса создается больше пар электрон-дырка с образованием квантовых капель при достижении определенного уровня плотности экситонов. В это момент связи электрон-дырка исчезают, и несколько электронов располагаются на определенных позициях по отношению к данной дырке. Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки создают нейтральную каплю. Капли, подобно пузырькам, держатся вместе под давлением со стороны окружающей плазмы.

Экспериментальные данные JILA по энергетическим уровням отдельных капель соответствуют теоретическим расчетам соавторов открытия из Университета Марбурга в Германии. Исследователи из JILA обнаружили, что могут попасть на каждый уровень энергии путем подгонки квантовых свойств лазерных импульсов таким образом, чтобы они соответствовали корреляции частиц внутри капель. Капли выглядят достаточно стабильным для будущих систематических исследований по взаимодействию между светом и сильно коррелированным состоянием материи. Кроме того, квазичастицы, в общем, могут иметь экзотические свойства, не найденные в их составных частях, и, таким образом, могут играть роль в управлении поведением больших систем и устройств.

JILA является объединенной структурой Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере. Кандифф – физик из NIST.

Художественная иллюстрация концепции микроскопических «квантовых капель», открытых физиками из JILA в полупроводнике арсенида галлия, возбужденного импульсами сверхскоростного красного лазера. Каждая капля состоит из электронов и дырок, расположенных кольцами. Окружающей средой является плазма.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365