28.02.2014 | Наука

Физики обнаружили в твердом полупроводнике "квантовые капли"

Исследователи из Института JILA в Колорадо при помощи сверхбыстрых лазеров открыли новые полупроводниковые квазичастицы, способные образовывать структуры, похожие по поведению на жидкость.

Квазичастицы состоят из частиц. Примером может послужить экситон в полупроводнике, представляющий собой пару из электрона и так называемой дырки — "носителя" положительного заряда.

Новый вид квазичастиц, открытый физиками JILA, представляет собой микроскопический комплекс электронов и дырок, но они не образуют пары, как в случае экситона, а взаимодействуют все вместе (все дырки со всеми электронами). Исследователи назвали комплекс "квантовыми каплями", поскольку с одной стороны он обладает квантовыми характеристиками, такими как упорядоченность энергетических уровней, а с другой — свойствами жидкости, например, рябью, как в случае с водой.

Квантовые жидкости представляют собой новую стабильную форму материи, почти такую же, как и обычная жидкость. За одним исключением: капли квантовой жидкости содержат заряженные частицы, дырки и электроны.

Срок жизни квантовых капель очень короткий — всего 25 пикосекунд (триллионных долей секунды). Однако, несмотря на это, квантовые капли достаточно стабильны для изучения их взаимодействия со светом.

"Квантовые капли из электронов и дырок часто наблюдаются в полупроводниках, однако в большинстве случаев речь идёт о тысячах или даже миллионах пар электрон-дырка. В данном случае мы работали с комплексом из пяти электронов и пяти дырок", — рассказывает соавтор исследования Стивен Кандифф (Steven Cundiff).

Как поясняют исследователи в пресс-релизе, конкретного практического применения у открытия нет. "Мы не будем мастерить из квантовых капель безделушки", — шутит Кандифф. Но это исследование поможет больше узнать о взаимодействиях электронов в различных ситуациях, в том числе и в оптико-электронных приборах.

Квазичастицы получили в ходе эксперимента. Учёные охладили до -263 градусов по Цельсию полупроводник из арсенида галлия и посветили на него сверхбыстрым красным лазером, излучающим около 100 миллионов импульсов в секунду, и тем самым заставили образоваться дырки (фактически это пробел в оболочке атома, откуда частицей света фотоном был выбит валентный электрон). В результате получились экситоны, которые путешествовали по всему полупроводнику. Низкая температура способствовала образованию экситонов, так как пары электрон-дырка распадаются, если вокруг слишком тепло.

По мере роста интенсивности лазерного импульса, появлялось несколько пар электрон-дырка. Квантовые капли же возникли в тот момент, когда плотность экситонов достигла определённого уровня. В этот момент пары распадаются и несколько электронов занимают позиции относительно определённой дырки. Таким образом, отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки ненадолго образуют нейтральную каплю, удерживаемую давлением окружающей плазмы.

"Результаты мы получили почти случайно. Всё, что мы хотели увидеть — это рост энергии биэкситонов, связанных состояний двух экситонов. Они должны были возникнуть по мере роста мощности сигналов лазера и появления пар электрон-дырка, но мы увидели нечто гораздо более интересное, а именно понижение энергии", — рассказывает ведущий автор исследования Эндрю Хантер (Andrew Hunter).

То есть получилось так, что по мере роста энергии лазера, сначала образовались более крепко связанные биэкситоны, а затем и вовсе новые квазичастицы из четырёх электронов и дырок. По прошествии времени получились квазичастицы из пяти и даже шести электронов и дырок.

Квазичастицы вели себя подобно жидкости: электроны и дырки располагались в пространстве таким образом, как будто образовывались волны. Если предполагать, что электрон располагается на вершине гипотетического всплеска от падения капли (смотрите картинку), то дырка могла быть выше, ниже или на уровне электрона. Следующее по вероятности расположение − на вершине первого кольца-волны, следующее за ним − на "гребне" второй волны (соответственно, меньше вероятность расположиться в углублении между волнами). По мере роста плотность электронов и дырок в "капле" растёт и число волн, расходящихся от "всплеска".

Интересно, что экспериментальные данные полностью согласуются с расчётами, представленными теоретиками университета Марбурга в Германии.

Физики пишут в своей статье, опубликованной в журнале Nature, что капли являются достаточно стабильными для систематических исследований взаимосвязей между светом и высоко коррелированными состояниями вещества. Кроме того, квазичастицы могут обладать крайне необычными свойствами, что позволит изучать их как комплексные системы.

По публикациям UkrNet