Физики создали крошечный ультраточный ускоритель квазичастиц

При столкновении электрона (синий) и дырки (красная) внутри кристаллической решётки полупроводника энергия, накопленная в ходе ускорения, освобождается в виде фотонов (цветные лучи)

(иллюстрация Huber Group/Universitat Regensburg).

Эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) показали, что, сталкивая частицы на большой скорости, можно многое узнать об устройстве Вселенной. Именно таким образом был открыт бозон Хиггса и воссозданы первые секунды после Большого взрыва. Ускорители элементарных частиц представляют собой гигантские сооружения, в которых протоны и тяжёлые ионы разгоняются в многокилометровой вакуумированной трубе почти до скорости света.

Физики из Германии и США нашли способ сталкивать короткоживущие объекты, известные как квазичастицы, внутри крохотных фрагментов полупроводников.

В квантовой механике квазичастицы помогают учёным описывать взаимодействие частиц внутри твёрдого тела. Например, при прохождении электрона сквозь полупроводник он вызывает "волнения" в ядрах и электронах соседних атомов. Чтобы описать этот сложный процесс учёными была придумана квазичастица (не существующая частица, упрощающая расчёты) под названием электрон проводимости, которая движется в свободном пространстве, а её заряд, масса и энергия отличаются от исследуемого электрона.

"Для физиков интуитивно удобнее мыслить в терминах квазичастиц, – объясняет руководитель нового исследования профессор Макилло Кира (Mackillo Kira) из Марбургского университета. – Это аналогично описанию движения пузыря воздуха в воде, когда проще принять пузырь за одну частицу, чем учитывать каждую молекулу воды, которая его окружает".

Кира и его коллеги использовали короткие точно синхронизированные лазерные импульсы, чтобы сталкивать электроны с положительно заряженными квазичастицами – дырками. Последние представляют собой незаполненную валентную связь, которая остаётся после того, как электрон отделился от атома.

Первоначально мощный лазерный луч светил на пластинку полупроводника диселенида вольфрама толщиной всего 60 нанометров и вызывал движение свободных электронов точно так же, как свет, падающий на солнечную панель (свет меняет энергетическое состояние системы, и электроны покидают атомы). При этом позади отделяющихся от атомов электронов остаются дырки.

Особенность полупроводника заключается в том, что электроны проводимости и дырки в нём связаны друг с другом в пары, известные как ещё одна разновидность квазичастиц – экситоны.

Чтобы разрушить эту связь физики включали сильное колеблющееся электромагнитное поле, которое вызывало распад экситонов. При этом электроны и дырки ускорялись и разлетались друг от друга в противоположных направлениях. В этот момент учёные давали ещё один лазерный импульс, который разворачивал квазичастицы обратно и сталкивал их друг с другом. В итоге пара аннигилировала с образованием фотонов (частиц света), которые регистрировали с помощью детектора.

Результаты исследования, опубликованные в научном журнале Nature, раскрывают важную информацию о структуре экситона и о силе связи электронов с дырками. Специалисты считают, что эти сведения могут быть использованы для создания новых светоизлучающих приборов и более эффективных солнечных батарей.

Кира и его коллеги говорят, что, если новый метод удастся применить к другим квазичастицам, он станет ключом к решению многих загадок физики, таких как явление высокотемпературной сверхпроводимости.