“Сумасшедшие” излучатели света: замечен необычный квантовый феномен

На рисунке схематически изображен экситон, возбужденный световым импульсом и движущийся по атомно-тонкому слою. Экситон рассеивается и случайным образом меняет направление. Кроме того, может возникать квантово-механический интерференционный эффект, когда экситон распространяется по замкнутой петле в обоих направлениях одновременно. Предоставлено: Алексей Черников.

Профессор Алексей Черников, недавно назначенный физиком Технического университета Дрездена, и его команда смогли выявить последствия этого квантового явления, наблюдая за излучением света подвижными экситонами с помощью сверхбыстрой микроскопии при чрезвычайно низких температурах. Эти открытия перемещают тему квантового транспорта экситонных многочастичных состояний в центр внимания современных исследований. Результаты этой работы опубликованы в Письма с физическими проверками журнал.

Излучатели света в атомарно-тонкой материи

Квантовые материалы, изучаемые Алексеем Черниковым и его командой, состоят всего из нескольких атомов. Из-за чрезвычайно сильного взаимодействия в этих системах электроны объединяются, чтобы сформировать новые состояния, известные как экситоны. Экситоны ведут себя как независимые частицы и способны поглощать и излучать свет с высокой эффективностью. В атомарно тонких слоях они стабильны от самых низких температур, таких как минус 268 градусов Цельсия, до комнатной температуры.

Что касается текущего исследовательского проекта, который фокусируется на движении экситонов в ультратонкой материи, физик Черников поясняет: «Экситоны можно рассматривать как своего рода движущиеся источники света. Как и другие квантово-механические объекты, они сочетают в себе волновые свойства и свойства частиц, распространяясь через атомно-тонкие кристаллы. Это означает, что они могут хранить и транспортировать как энергию, так и информацию, а также снова преобразовывать их в свет. Это делает их особенно интересными для нас ».

По следу «сумасшедших» квазичастиц

Быстрое движение экситонов в атомарно тонких полупроводниках было визуализировано с помощью высокочувствительной оптической микроскопии: «Сначала мы приложили короткий лазерный импульс к материалу, который генерировал экситоны. Затем мы использовали сверхбыстрый детектор, чтобы наблюдать, когда и где переизлучается свет. Однако, когда мы повторили эти эксперименты при очень низких температурах, движение квазичастиц оказалось довольно удивительным », – говорит Черников.

Одновременное движение в двух направлениях

До сих пор научному сообществу были широко известны два основных типа движения экситонов: либо экситоны «перепрыгивают» с одной молекулы на другую (процесс, известный как прыжки) –Или они движутся довольно «классически», как бильярдные шары, меняющие направление после случайных событий рассеяния. «Однако в ультратонких полупроводниках экситоны вели себя так, как никогда раньше. В конце концов, единственное возможное объяснение состояло в том, что экситоны время от времени проходили через замкнутые контуры в противоположных направлениях в одно и то же время. Такое поведение действительно было известно по отдельным электронам. Однако наблюдать это экспериментально для люминесцентных экситонов было весьма необычно », – отмечает Черников.

После того, как все контрольные эксперименты подтвердили результат, ученые искали причину своего необычного наблюдения. Недавно опубликованная теоретическая работа российского исследователя Михаила М. Глазова из Института Иоффе в Санкт-Петербурге дала ключевое понимание: Глазов описывает, как экситоны в атомно-тонких полупроводниках действительно могут перемещаться по замкнутым кольцевым путям и переходить в наложенные состояния. Это означает, что экситоны, по сути, движутся как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки одновременно. Этот эффект является чисто квантово-механическим явлением, которого нет в классических частицах. Вместе с командой Эрмина Малика из Марбургского университета им. Филиппа, который предоставил дополнительные сведения о динамике экситонов, ученые наконец смогли отследить это необычное поведение.

Перспективы

В сотрудничестве с международными коллегами команда Алексея Черникова показала способ экспериментального мониторинга квантово-механических эффектов в движении взаимодействующих многочастичных комплексов. Однако исследования квантового транспорта экситонных квазичастиц все еще находятся в самом начале. В будущем такие материалы, как ультратонкие слои, исследованные Черниковым, также могут служить основой для новых типов лазерных источников, световых датчиков, солнечных элементов или даже строительных блоков для квантовых компьютеров.