Обнаружено новое свойство материи

Физики из калифорнийского университета в Сан-Диего впервые наблюдали спонтанное возникновение когерентных состояний у экситонов Мотта (связанных пар электронов и дырок), что позволит в будущем создавать новые полупроводниковые устройства. Кроме того, это свойство, по мнению нанотехнологов, поможет в создании материалов с новыми необычными свойствами.

Работой, опубликованной в Physical Review Letters, руководил Леонид Бутов, профессор университета в Сан-Диего (ранее он работал в американской национальной лаборатории в Беркли). Проф. Бутов объясняет, что вся современная физика родилась из представлений о двойственной природе частиц, которые ведут себя также как и волны.

Когерентность означает, что волны ведут себя согласованным образом. Самые удивительные явления в физике, такие как сверхпроводимость и лазерное излучение, также обязаны явлению когерентности. Для упрощенного понимания когерентности можно привести сравнение с волнами, которые прокатываются в рядах болельщиков на стадионе. Если зрители верхних рядов поднимаются и садятся одновременно со зрителями нижних, это и означает, что волны в разных рядах когерентны. А спонтанность - это когда такие волны возникают по инициативе самих зрителей, без участия руководителей.

Экситоны при достаточном охлаждении стремятся к самоорганизации с образованием упорядоченной сборки микроскопических капель. Самый известный пример спонтанной когерентности - это волны в конденсате Бозе-Эйнштейна (состояние, предсказанное Эйнштейном около 80 лет назад).

Экспериментальное наблюдение конденсата Бозе-Эйнштейна в 1995 г. американскими учеными из университета штата Колорадо было удостоено в 2001 г. Нобелевской премии по физике. Конденсат Бозе-Эйнштейна состоял из атомов при очень низкой температуре и высокой плотности, при этом атомы теряли свои индивидуальные свойства и вели себя как единая частица-волна.

Конденсация Бозе-Эйнштейна происходит при температурах вблизи абсолютного нуля. Однако экситоны могут проявлять подобное явления при температурах, гораздо более высоких (в абсолютной шкале температур - в несколько миллионов раз выше). Проф. Бутову и его американским коллегам удалось получить такие состоянии при сравнительно высоких температурах.

Группа Бутова получила экситоны при облучении полупроводника из арсенида галлия, при этом образуется свободный электрон и положительно заряженная дырка. Электрон и дырка, тем не менее, удерживаются рядом электростатическими силами, образуя экситон Мотта, который является квазиатомом - связанным состоянием этих двух частиц. Электрон и дырка могут далее рекомбинировать с образованием излучения.

Бутову и коллегам удалось разделить электроны и дырки с помощью квантовых ям, образумых наноструктурами. Экситоны в таких структурах могут жить в миллионы раз дольше, чем в обычных полупроводниках. Концентрацию экситонов можно очень сильно увеличить, и плотность газа из экситонов может быть высокой. Но самым важным вопросом для исследователей оставалась охлаждение, которое предотвращает рекомбинацию.

При температуре около 5 градусов Кельвина длина когерентности становится измеримой и по мере охлаждения возрастает. Длина когерентности составила около двух микрон при самой низкой температуре. Эта длина была измерена с помощью оптического излучения, возникающего при рекомбинации экситонов.