Физики из Института квантовой информации (JQI) и их коллеги обнаружили необычный режим поведения квантовых частиц, при котором квазичастицы, называемые экситонами, резко увеличивают подвижность в условиях, где их движение, наоборот, должно было почти остановиться.

В квантовой физике частицы принято делить на два фундаментальных класса. Фермионы — к ним относятся электроны — не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, что лежит в основе структуры твёрдого вещества. Бозоны, напротив, могут «скучиваться» в одном состоянии, создавая такие эффекты, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Однако реальные материалы определяются не только этим делением, но и сложными взаимодействиями между частицами.

Одним из ключевых объектов исследования стали экситоны — связанные пары электрона и так называемой дырки. Дырка не является частицей в обычном смысле слова: она возникает там, где электрон покинул своё место в атоме, оставив положительный заряд. Электрон и дырка могут связаться и двигаться вместе, образуя экситон — составной квантовый объект, который ведёт себя как бозон. Обычно такие пары считаются «моногамными»: электрон и дырка остаются связанными друг с другом до тех пор, пока экситон не распадётся, испустив свет.

Иллюстрация: Mahmoud Jalali Mehrabad / JQI

Команда исследователей решила изучить, как экситоны ведут себя в среде с большим числом свободных электронов — фермионов. Интуитивно ожидалось, что рост плотности электронов будет всё сильнее мешать движению экситонов, заставляя их петлять между занятыми состояниями и постепенно замирать. Эксперимент сначала подтверждал это предположение, но затем неожиданно показал противоположный эффект.

При очень высокой плотности электронов подвижность экситонов внезапно резко возросла. Несмотря на то что почти все доступные «места» в материале были заняты электронами, экситоны начали распространяться быстрее, чем в менее загруженной среде. Этот эффект оказался устойчивым: его воспроизвели на разных образцах, в разных лабораториях и даже на разных континентах.

Эксперимент проводился на специально созданном двумерном материале, состоящем из точно выровненных атомарных слоёв. Его структура формирует регулярную «решётку» энергетических состояний, в которых могут находиться либо одиночные электроны, либо экситоны. Число электронов в системе регулировалось с помощью приложенного напряжения, а экситоны создавались лазерным излучением. Их движение отслеживалось по свету, испускаемому при рекомбинации электрона и дырки.

Иллюстрация: Mahmoud Jalali Mehrabad / JQI

Чтобы объяснить наблюдаемый эффект, экспериментаторы тесно работали с теоретиками. В итоге они пришли к выводу, что при экстремально высокой плотности электронов привычная «моногамия» экситонов нарушается. В таких условиях дырка внутри экситона перестаёт различать «свой» электрон и окружающие его другие электроны. Вместо устойчивой пары возникает динамический режим, в котором дырка быстро «переключается» между электронами.

Этот процесс, который исследователи назвали «немоногамной диффузией дырок», позволяет экситонам двигаться гораздо более прямолинейно и эффективно, минуя препятствия, которые в обычных условиях их замедляют. В результате экситоны проходят значительно большие расстояния до распада, что и проявляется как резкий рост их подвижности.

Важно, что переход в этот необычный режим достигается простым изменением электрического напряжения — параметра, который легко контролируется в современных устройствах. Это делает эффект потенциально полезным для практических приложений, в частности для технологий, основанных на экситонах, таких как новые типы солнечных элементов, оптоэлектронные компоненты и квантовые материалы с настраиваемыми свойствами.

По словам авторов работы, управление подвижностью квантовых частиц является фундаментальной задачей для будущих электронных и фотонных технологий. Открытый ими механизм показывает, что даже хорошо изученные квантовые объекты могут вести себя неожиданным образом в экстремальных условиях, открывая новые возможности для проектирования материалов с заданными свойствами.

Подробнее на iXBT