Объединение отрицательно заряженных частиц за счет фотонов

Противоположности притягиваются. Этот житейский принцип, касающийся отношений между людьми, далеко не всегда соответствует действительности. Но в физике все так, как говорится: противоположные электрические заряды, к примеру, всегда притягиваются, а сходные — отталкиваются. Этот принцип стар, как сам мир, но и его можно подвергнуть некой модификации, если применить другие физические законы и явления. Группа ученых из Саутгемптонского университета (Великобритания) провели исследование, в котором им удалось создать новый тип материала, названный фотонно-связанный экситон. Самый смак заключается в том, что фотоны стали связующим звеном между отрицательно заряженными электронами, которые по логике должны были отталкиваться. Как именно были использованы фотоны, какие особенности изобретенного атома, и в каких областях может использоваться данная разработка? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Как мы уже вспомнили, одноименные заряды (т.е. одинаковые: ++ или — -) должны отталкиваться друг от друга, а разноименные (т.е. противоположные: +- / -+) притягиваться. Однако картина такого взаимодействия меняется, если добавить щепотку фотонов, т.е. частиц света. В таком случае добавляется влияние фотоэффекта — взаимодействия света и материи, когда энергия фотонов передается материи.

В данном труде ученые создали наноустройство, которое захватывает электроны в наноразмерные квантовые ямы*. Если же фотоны вносят в устройство достаточно много энергии, то это приводит к выходу из ямы электронов. Разместив данное устройство между двумя золотыми зеркалами, можно поймать фотоны в ловушку. За счет этого энергия фотонов будет сфокусирована на электроны, усиливая взаимодействие между светом и материей. Добавление зеркал привело к тому, что отрицательно заряженные электроны оставались в яме (без зеркал фотоны вытесняли их из ямы) и начинали связываться друг с другом.

Квантовая яма* — потенциальная яма, ограничивающая подвижность частиц с трех до двух измерений (т.е. частицы начинают двигаться в плоском слое).

Важнейшую роль в работоспособности всей системы, естественно, играют вышеописанные квантовые ямы (QW от quantum well). По словам ученых, на то есть ряд причин.

Во-первых, QW позволяют достичь большей силы связи между светом и материей, которую можно регулировать за счет изменения электронной плотности* в QW.

Электронная плотность* — в квантовой механике мера вероятности того, что электрон займет бесконечно малый элемент пространства, окружающего любую условную точку.

Во-вторых, квантовые ямы можно сделать достаточно узкими, что позволит получить одну локализованную электронную подзону, которая не будет иметь никаких межподзонных переходов.

В-третьих, в подобной системе кулоновское взаимодействие не создает связанных состояний.

Из последних двух пунктов следует, что чистые квантовые ямы без окружающего фотонного резонатора вообще не представляют какого-либо дискретного резонанса, а только полосу непрерывного поглощения на частотах, превышающих порог ионизации.

Отсутствие кулоновского взаимодействия обосновано квазипараллельной дисперсией двух электронных подзон, что приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию*.

Электронно-дырочное взаимодействие* (p-n взаимодействие) — область соприкосновения двух частиц с разными типами проводимости — дырочной (p от positive — положительная) и электронной (n от negative — отрицательная).

Это сильно отличается от случаев межзонных переходов на более коротких длинах волн, где электронно-дырочное взаимодействие является притягивающим и приводит к созданию узких резонансов вне электронно-дырочного континуума в отсутствие поляритонных эффектов.

Таким образом, формирование поляритонов* может изменять существующие резонансы, но не приводит к созданию новых локализованных электронных резонансов.

Поляритон* — частица, являющаяся результатом взаимодействия фотона и возбуждений среды (оптические фононы, экситоны, плазмоны, магноны и т.д.).

Изображение №1: Кулоновский эффект в легированных и нелегированных квантовых ямах. 1а — межзонное поглощение нелегированной полупроводниковой квантовой ямы, в котором преобладает экситонный резонанс (EX) ниже энергии запрещенной зоны (EG) и электронно-дырочный континуум над ним; 1b — стандартное электронно-дырочное картирование, позволяющее описать одиночную электронную вакансию в валентной зоне как дырку с положительным зарядом и массой; 1с — межподзонное поглощение легированной квантовой ямы, содержащей только одно локализованное состояние, и континуум состояний выше первой энергии ионизации квантовой ямы (EI); 1d — первоначально заполненная подзона электронов имеет положительную эффективную массу, а электрон-дырочное картирование приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.

Изображения выше являются схемой вышеописанного явления. В случае межзонных переходов в нелегированных квантовых ямах участвующие в переходе электроны изначально занимают валентную зону с отрицательной эффективной массой. Однако в случае межподзонных переходов в легированных квантовых ямах ту же роль играет первая частично заполненная подзона проводимости, имеющая положительную эффективную массу*. При обычном электронно-дырочном картировании это приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.

Эффективная масса* — величина, имеющая размерность массы и применяемая для описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла.

Эффективная масса электронов в возбужденной подзоне m₂ в квантовых ямах GaAs больше массы в первой подзоне m₁. Это приводит к отрицательно сниженной массе межподзонной электронно-дырочной пары m_r^-1 = m₂^-1 — m₁^-1.

При наличии любого притягивающего потенциала двух тел отрицательная масса приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию, которое, в свою очередь, не может создавать связанные состояния.

Для практического подтверждения наличия связанных состояний, опосредованных фотонами, была создана система, состоящая из 13 квантовых ям GaAs / AlGaAs, встроенных в узкие решетчатые золотые микрополостные резонаторы.


Изображение №2: схема экспериментальной установки. 2а — распределение компоненты электрического поля, ортогональной металлическим слоям, для одного периода (D) структуры и для моды TM02 ленточного резонатора; 2b — микроскопия набора образцов; 2с — экспериментальная установка, используемая для измерений отражательной способности (микроскоп среднего инфракрасного диапазона, подключенный к Фурье-ИК-спектроскопу.

Резонаторы представляют собой одномерные ленты, а электромагнитное поле (схема на 2а) почти полностью удерживается под металлическими штифтами.

Размеры квантовых ям были достаточно тонкими, чтобы была лишь одна захваченная подзона проводимости, поскольку наличие второй подзоны привело бы к созданию межподзонных поляритонов.

Если бы было две подзоны, то наличие перехода типа связь-связь привело бы к насыщению имеющейся силы осциллятора, что привело бы к подавлению связь-континуумного перехода, который и должен изучаться в данном тесте.

Для проверки этого важного параметра было изготовлено два образца HM4229 и HM4230, различающиеся шириной квантовой ямы и легированием. Образец HM4229 содержал квантовые ямы GaAs толщиной 4 нм (с шириной L_QW = 4 нм), каждая из которых легирована с плотностью 5 х 1012 см^-2. А образец HM4230 содержал квантовые ямы (L_QW = 3.5 нм), легированные при 4.77 х 1012 см^-2.


Изображение №3: связь-континуумный характер оптического перехода в чистых QW без окружающего фотонного резонатора. 3а — измерение пропускания при 300 K для образцов с QW разной ширины L_QW; 3b-3e — схемы связь-связь (3b и 3c) и связь-континуумных переходов (3d и 3e) в легированных квантовых ямах.

Переход связь-связь* — изменение энергии электрона внутри атома или, реже, внутри молекулы, при котором электрон остается прикрепленным (связанным) к атому или молекуле как до, так и после изменения.

Связь-континуумный переход* (переход связь-континуум) — возбуждают носителей в токопроводящие состояния континуума и позволяют использовать перпендикулярный транспорт (носители, движущиеся через переход).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)

На схемах 3b-3е видно, что переходы разных типов (связь-связь и связь-континуум) в разных одночастичных состояниях QW потенциала претерпевают противоположные частотные сдвиги при уменьшении L_QW: у первых возникает синее смещение*, у вторых — красное смещение*.

Синее смещение* — явление, когда уменьшается длина волны излучения, а частота увеличивается.

Красное смещение* — явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.

Это позволило оценить природу оптического перехода за счет анализа спектра пропускания двух образцов до применения золота (3а).

Здесь наблюдается очень широкое поглощение, которое (будучи поперечной магнитной поляризацией) связано с легированными квантовыми ямами. Также наблюдается и более узкая область около 140 мэВ, которая является краем континуума. Ученые отмечают, что данная функция не приводит к синему смещению при уменьшении L_QW, а показывает перенос спектрального веса в красную часть спектра. Связь-связь переход в таком случае привело бы к синему смещению порядка десятков миллиэлектронвольт, доказывая привязанный к континууму характер переходов в чистых QW.

Как уже упоминалось ранее, все образцы были изготовлены в рамках решетки металл-полупроводник-металл и металлических штифтов с шириной р (2а и 2b). Поскольку электромагнитное поле чрезвычайно локализовано под металлическими пальцами, система по существу ведет себя как резонатор Фабри–Перо*.

Резонатор Фабри–Перо* — оптический резонатор, в котором параллельно расположенные зеркала направлены друг на друга. Между этими зеркалами может формироваться резонансная стоячая оптическая волна.

Было изготовлено несколько устройств на основе решеток площадью 200 х 200 мкм с шагом в диапазоне от 800 нм до 5 мкм, что позволяет охватить широкий диапазон частот (2b). Данные по отражательной способности были получены для каждого устройства при температуре 78 К посредством Фурье-ИК-спектроскопа, оснащенного очень компактным криостатом (2c).


Изображение №4: экспериментальные данные по отражательной способности. 4а — данные по отражательной способности легированного образца HM4229 в зависимости от частоты резонатора; 4b — данные отражательной способности для HM4229 (красный) и чистого резонатора (зеленый) для частот ω_с = 157.8 мэВ (сплошные линии), ℏω_с = 147 мэВ (пунктирные линии) и ℏω_с = 141.5 мэВ (штрихпунктирные линии); 4с — ширина линий для различных колебаний как функция энергии колебаний.

Результаты данного анализа представлены на графиках выше. На 4а представлена карта отражательной способности образца HM4229 при 78 К как функция частоты чистого резонатора. Если выше порога ионизации (показан черной горизонтальной пунктирной линией) наблюдается континуум поглощения, то ниже появляется узкий поляритонный резонанс. Он сдвинут в красную сторону более чем на 20 мэВ по отношению к чистому резонатору.

На цветовую карту были нанесены пиковые частоты, полученные с помощью множественной аппроксимации данных методом Лоренца. Красные треугольники и синие квадраты отображают соответственно частоты ниже и выше идентифицированного порога ионизации. Для сравнения зелеными кругами отмечена частота чистого резонатора, измеренная на нелегированном образце.

Ниже порога ионизации время жизни дискретной поляритонной моды в основном ограничивается временем жизни резонатора. Выше заметен спектр связь-континуум, в котором можно идентифицировать только очень расширенные и неопределенные особенности.

Сравнение спектров легированных и нелегированных образцов показало, что в легированном образце возникает дискретный резонанс ниже края континуума, тогда как в идентичном, но электромагнитно несвязанном образце его нет.

Подобное гибридное дискретное состояние можно описать как поляритон, плотность электронов которого относительно основного состояния равна:

∆N(z) = P [|Ψ^e(z)|² — |Ψ^g(z)|²]

где Р (в диапазоне 0…1) — вес поляритонного компонента материи; Ψ^g(z) — нормированная волновая функция электрона в его основном состоянии; Ψ^e(z) — волновая функция локализованного электронного состояния, порожденного взаимодействием света и материи.


Изображение №5: расчеты P. 5а — собственные моды, полученные с помощью теоретической модели с параметрами, выбранными для соответствия экспериментальным данным отражательной способности на цветовой карте; 5b — параметры, извлеченные из 5a, которые используются для расчета P для дискретной поляритонной моды.

На 5а визуально отображен результат использования теоретической модели для моделирования наблюдаемого спектра отражательной способности и сравнения его с экспериментальными данными. Эти параметры позволили рассчитать Р (5b).

Из этого модели следует, что дискретный резонанс ниже порога ионизации четко определяется для ненулевых значений P, демонстрируя существенное заполнение генерируемой светом электронной волновой функции Ψ^e(z).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данный эксперимент позволил продемонстрировать возможность связывания ионизирующего перехода с фотонным резонатором, что приводит к непертурбативной модификации электронной структуры системы.

В результате получается гибридное поляритонное возбуждение, материальная составляющая которого представляет собой связанное состояние, порожденное взаимодействием света и материи, состоящего из электрона и дырки, удерживаемых вместе благодаря их взаимодействию с поперечным электромагнитным полем.

Как заявляют ученые, возможность настраивать свойства материала за счет связи с фотонным полем микрорезонатора является крайне перспективным направлением.

В данном труде они смогли создать устройство, ограниченное с двух сторон золотыми зеркалами, которые улавливали фотоны и фокусировали световую энергию на электроны, что резко усиливало связь между светом и материей. В ходе экспериментов было замечено, что отрицательно заряженный электрон, выброшенный фотоном, остается в ловушке в квантовой яме, связанный с другими отрицательно заряженными электронами. При этом такая конфигурация остается стабильной за счет воздействия фотонов.

Другими словами, данное исследование показывает возможность создания искусственных атомов нового типа, электронные конфигурации которых можно будет настраивать по собственному желанию.

Фотоника является достаточно молодой отраслью науки, но при этом ее влияние с каждым годом растет, что обусловлено подобного рода исследованиями. Свет, как и многие другие явления, можно сравнить с котом Шредингера: с одной стороны все понятно и очевидно, но если копнуть поглубже, то становится очевидна простая истина — сколько бы ответов не получал человек, вопросов всегда будет больше. Тем не менее в поисках ответов на вопросы, по крайней мере в науке, важен не столько сам ответ, сколько путь, ведущий к нему.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?