DigitalArtSpace

Ученые из Института квантовой информации (JQI) совместно с другими исследователями выявили нестандартный способ взаимодействия квантовых частиц. В определенных условиях экситоны – квазичастицы, образующиеся при взаимодействии электронов и дырок – демонстрируют значительное увеличение подвижности, несмотря на то, что, согласно теоретическим расчетам, их перемещение должно было практически прекратиться.

В квантовой физике частицы классифицируют на два основных типа. Электроны, относящиеся к фермионам, не способны занимать одинаковые квантовые состояния, что является ключевым фактором формирования структуры твердых тел. Бозоны, в свою очередь, могут существовать в одном и том же состоянии, что обуславливает такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Тем не менее, свойства реальных материалов зависят не только от этой классификации, но и от комплексных взаимодействий между частицами.

В центре внимания исследования оказались экситоны – связанные состояния электрона и дырки. Дырка – это не частица в привычном понимании, а область с положительным зарядом, возникающая в атоме после удаления электрона. Электрон и дырка способны объединиться и перемещаться как единое целое, формируя экситон – сложный квантовый объект, проявляющий свойства бозона. Как правило, такие связанные пары демонстрируют высокую стабильность: электрон и дырка остаются вместе, пока экситон не разрушится, сопровождаемый испусканием света.

Группа ученых провела исследование, чтобы выяснить, как экситоны взаимодействуют с окружающей средой, содержащей большое количество свободных электронов – фермионов. Изначально предполагалось, что увеличение концентрации электронов будет всё сильнее затруднять перемещение экситонов, заставляя их извиваться между занятыми энергетическими уровнями и постепенно останавливаться. Первоначальные результаты эксперимента, казалось, подтверждали эту гипотезу, однако затем они продемонстрировали неожиданно противоположный эффект.

При значительном увеличении концентрации электронов наблюдалось резкое и неожиданное повышение подвижности экситонов. Даже при практически полной занятости электронными состояниями в материале, экситоны стали распространяться с большей скоростью, чем в менее плотной среде. Данное явление продемонстрировало свою воспроизводимость: оно было зафиксировано в различных образцах, в разных лабораториях и даже в разных регионах мира.

Исследование осуществлялось на двумерном материале, сконструированном из точно расположенных атомарных слоёв. Данная структура формирует упорядоченную «решётку» энергетических состояний, способных удерживать одиночные электроны или экситоны. Количество электронов в системе контролировалось посредством приложенного напряжения, а экситоны генерировались лазерным излучением. Их перемещение регистрировалось по свету, возникающему при рекомбинации электрона и дырки.

Для объяснения выявленного эффекта экспериментаторы активно взаимодействовали с теоретиками. В результате совместной работы было установлено, что при чрезвычайно высокой плотности электронов нарушается обычный принцип устойчивого образования экситонов. В подобных условиях дырка, входящая в состав экситона, теряет способность идентифицировать «собственный» электрон и окружающие её другие электроны. На смену устойчивой связи приходит динамический процесс, при котором дырка стремительно меняется между различными электронами.

Учёные дали этому явлению название «немоногамная диффузия дырок». Оно позволяет экситонам двигаться более прямо и с большей эффективностью, обходя препятствия, которые обычно их сдерживают. Благодаря этому экситоны преодолевают большие расстояния до распада, что и определяет заметное увеличение их подвижности.

Значимым является то, что переключение в данный нестандартный режим осуществляется посредством изменения электрического напряжения – параметра, которым удобно управлять в современных приборах. Это обуславливает перспективность эффекта для практического применения, особенно в технологиях, использующих экситоны, например, для разработки новых типов солнечных батарей, оптоэлектронных устройств и квантовых материалов с регулируемыми характеристиками.

Авторы исследования утверждают, что контроль над движением квантовых частиц – ключевая задача для развития перспективных электронных и фотонных технологий. Предложенный ими принцип демонстрирует, что даже известные квантовые объекты способны проявлять непредсказуемое поведение в экстремальных условиях, что позволяет создавать новые возможности для разработки материалов с определенными характеристиками.

Похожие статьи

Новый алгоритм Дарвина-Гёделя учит искусственный интеллект самостоятельно программировать.

В США производят эффективные процессоры: тайванские чипы TSMC возвращаются на родину для завершения производства.

В продаже — новая Lada Granta с увеличенным дорожным просветом

Новые модели Kia могут появиться на российском рынке.

Недорогой аналог Toyota Camry с пробегом более 2000 км завоевал популярность

Рамный внедорожник BAW 212 T01 с мощным двигателем: «Китайский УАЗ» с комфортом.