Фотоны связали электроны и дырки в полупроводнике
---
Cortese Erika et al. / Nature Physics, 2020
Физикам
удалось экспериментально обнаружить нехарактерные для легированных полупроводников резонансы при воздействии излучением на образцы в оптических резонаторах.
Ранее исследователи предсказали подобный эффект, который возникает из-за
слияния электрона и дырки в связанное состояние (экситон) за счет воздействия на них
позволить точно подстраивать оптоэлектронные свойства полупроводников без
изменения их внутренней структуры и даже расширить границы высокотемпературной сверхпроводимости. Статья опубликована в
журнале Nature Physics.
С улучшением
качества и возможностей современных резонаторов все больше применений находит так
называемый эффект сильной связи излучения и материи — явление резонанса между электромагнитными
волнами и элементарными возбуждениями среды. В роли последних могут выступать фононы, плазмоны, магноны и другие квазичастицы, рождающиеся в твердом теле и на его поверхности. Продуктом
такого резонанса является поляритон
— составная квазичастица, энергия которой состоит
как из электромагнитной энергии фотона, так и из энергии собственных
возбуждений среды.
Когда связь излучения и материи настолько сильна, что объединяет в поляритон сразу несколько собственных резонансов среды, теория предсказывает возможность использования этого явления для изменения волновых функций возбужденных состояний материи и
даже для спаривания несвязанных частиц и квазичастиц. В полупроводниках же подобный эффект может приводить к появлению связанных
состояний электронов до ионизационного порога — экситонов.
Экситон —
это квазичастица, которая обычно описывает электронное возбуждение в веществе, и
представляет собой связанное состояние электрона и дырки,
притягивающихся друг к другу за счет электростатического взаимодействия. В
собственных полупроводниках ничто не препятствует формированию экситонов, и
последние отвечают за дополнительный резонанс с энергией меньше ширины запрещенной
зоны. В легированных полупроводниках, в свою очередь, эффективная масса дырок отрицательна,
из-за чего эта квазичастица отталкивается от электрона и не спаривается с ним
в экситон без внешнего воздействия.
Спектр межзонного поглощения и структура собственного (сверху) и легированного (снизу) полупроводника
Cortese Erika et al. / Nature Physics, 2020
Именно на
легированный полупроводник и воздействовали излучением в своей работе Эрика
Кортезе (Erika Cortese) из Саутгемптонского университета и Нгок-Линь Тран (Ngoc-Linh
Tran) из университета Парижа-Сакле. Авторы хотели проверить теоретические предсказания о
возможности спаривания отталкивающихся электрона и дырки в связанное состояние
за счет эффекта сильной связи излучения и материи. Для этого исследователи соорудили образцы,
в которых полупроводники из арсенида галия были встроены в решетчатые емкостные
резонаторы из золота. Размер формирующих квантовые щели полупроводниковых слоев
был выбран так, чтобы электроны обладали в них лишь одним связанным состоянием.
Иначе формирующиеся в эксперименте поляритоны включали в себя состояния из
сразу нескольких разрешенных полос, что сильно усложнило бы наблюдения.
(a) — схема одного резонатора, (b) — готовый для исследования образец, (c) — схема экспериментальной установки
Cortese Erika et al. / Nature Physics, 2020
На охлажденный
до 78 кельвин образец физики воздействовали сфокусированным пучком поляризованного
излучения и наблюдали за его рассеянием, определяя коэффициент отражения образца
в разных диапазонах энергии. Резонансную частоту образца, с которой излучение и
воздействовало на полупроводник, физики варьировали за счет изменения размеров
емкостных резонаторов. Для сравнения полученных данных, авторы проводили
измерения как для легированного полупроводника, так и для полупроводника с
собственной проводимостью.
В результате
ученым удалось зарегистрировать резонанс в легированном полупроводнике, который
расположен ниже ионизационного порога и смещен на 20 электронвольт относительно
нелегированного образца. Тем самым физики подтвердили, что под действием
внешнего электромагнитного поля в полупроводнике сформировалось связанное
состояние. Схожесть наблюдаемого резонанса с предсказаниями моделирования
спаривания в таких условиях электрона и дырки показало, что исследователи пронаблюдали именно
формирование экситона за счет эффекта сильной связи излучения и материи.
Результаты эксперимента для набора образцов. Красная линия — резонанс с участием экситонов, синяя линия — резонанс выше ионизационного порога, зеленая линия — данные для нелегированного полупроводника. Черный пунктир — ионизационный порог.
Cortese Erika et al. / Nature Physics, 2020
Авторы отмечают, что провели исключительно оптические исследования явления, а логическим продолжением работы должно стать изучение способности формирующихся
экситонов переносить заряд. Если эти связанные состояния правда могут участвовать в токе, то подобные
образцы можно будет использовать в качестве крайне эффективных источников инфракрасного
излучения. Кроме того, продемонстрированное физиками «дистанционное управление» формированием экситонов с помощью излучения может в будущем стать новым инструментов для
создания управляемых квантовых материалов. Наконец, существуют теории, что
подобное связывание электронов в сверхпроводниках может привести к увеличению
их критической температуры. Поэтому, несмотря на большие отличия в природе куперовских
пар и экситонов, подобные исследования могут приблизить ученых к еще более высокотемпературной
сверхпроводимости.
Ранее физики уже увидели экситоны в
двухслойном графене с помощью фототоковой спектроскопии, получили бозе-конденсат из
этих квазичастиц в полуметалле, а также создали
на их основе топологический изолятор.
Никита Козырев
Источник: labuda.blog
Комментарии (0)
{related-news}
[/related-news]