Течната квазичастица

Изследователите от Института JILA в Колорадо с помощта на свръхбърз лазер открили нови полупроводникови квазичастици, способни да образуват структури, подобни по поведение на течност.

Квазичастиците, за разлика от истинските елементарни частици (като електрони или кварки), се явяват не реално съществуващи обекти в пълния смисъл на думата, а само резултат от взаимодействието в квантовите системи.

Поведението им напомня поведението на обикновените частици и така опростява разбирането на сложните квантови системи.Като пример може да послужи екситонът в полупроводника, представляващ двойка от електрон и така наречената дупка – „носител“ на положителен заряд.

Новият вид квазичастици, открити от физиците на JILA, представляват микроскопичен комплекс от електрони и дупки, но те не образуват двойки, както в случая с екситона, а си взаимодействат взаимно (всички дупчици с всички електрони).

Изследователите нарекли този комплекс „квантови капчици“, или дроплетони (от английското drop – капка), тъй като, от една страна, притежават квантови характеристики – като подреденост на енергийно ниво, а от друга – свойства на течности, като например вълни като в случая с водата.

Квантовите течности представляват нова стабилна форма на материята, почти както и обикновените течности. С едно изключение – капчиците на квантовата течност съдържат заредени частици, дупчици и електрони.

Животът на квантовите капки е много кратък – 25 пикосекунди. Но независимо от това, квантовите капки са достатъчно стабилни за изучаването на тяхното взаимодействие със светлината.

„Квантовите капчици от електрони и дупчици често се наблюдават в полупроводници, но в повечето случаи става дума за хиляди или дори милиони двойки електрон–дупка. В дадения случай работихме с комплекси от пет електрона и пет дупчици“, разказва съавторът на изследването Стивън Къндиф.

Както поясняват изследователите, откритието им няма конкретно практическо приложение. „Няма да майсторим дрънкулки от квантови капчици – шегува се Къндиф. – Но това изследване ще помогне да разберем повече за взаимодействието на електроните в различни ситуации, включително в оптико-електронни уреди.“

Квазичастиците били получени по време на експеримент. Учените охладили до -263 градуса по Целзий полупроводник от галиев арсенид и го осветили със свръхбърз червен лазер, излъчващ около 100 милиона импулса в секунда, като така накарали да се образуват дупчици (фактически това е пробив в обвивката на атома, тоест място, където може да има електрон, но всъщност няма).

В резултат се получили екситони, които пътешествали по целия полупроводник. Ниската температура спомогнала за образуването на екситоните, тъй като двойките електрон–дупка се разпадат, ако наоколо е прекалено топло.

С нарастването на интензивността на лазерния импулс се появили няколко двойки електрон–дупка. Квантовите капчици възникнали в момента, когато плътността на екситоните достигнала определено ниво. В този момент двойките се разпадат и няколко електрона заемат позиции спрямо определени дупки. Така отрицателно заредените електрони и положително заредените дупки за кратко образуват неутрална капка, задържана от налягането на околната плазма.

„Почти случайно получихме резултатите. Всичко, което искахме да видим, е нарастването на енергията на биекситоните, свързано състояние на два екситона. Те трябваше да възникват с нарастването на мощността на лазерните сигнали и появата на двойки електрон–дупка, но видяхме нещо много по-интересно, а именно понижение на енергията“, разказва водещият автор Андрю Хънтър.

Тоест получило се така, че с нарастването на енергията на лазера отначало се образували по-здраво свързани биекситони, а след това и съвсем нови квазичастици от четири електрона и дупки. С течение на времето се получили квазичастици от пет и дори шест електрони и дупки.

Квазичастиците се държали като течност – електроните и дупките се разполагали в пространството по такъв начин, сякаш се образували вълни. Ако предположим, че електронът се разполага на върха на хипотетичното място на падане на капка (вижте картинката), то дупката може да е над под или на нивото на електрона.

© Brad Baxley/JILA

Следващото ѝ вероятно разположение е на върха на първия пръстен-вълна, после – на „гребена“ на втората вълна (съответно по-малка е вероятността да се разположи във вдлъбнатината между вълните). С нарастването на плътността на електроните и дупките в „капката“ расте и броят на вълните.

Интересно е, че експерименталните данни за плътността се съгласуват с изчисленията, представени от теоретиците от университета на Марбург в Германия.

Физиците обясняват в статия в сп. Nature, че капките са достатъчно стабилни за системно изследване на взаимовръзката между светлината и състоянието на веществото. Освен това квазичастиците може да притежават изключително необичайни свойства, което ще позволи да се изучават като комплексни системи.