Фотоны связали электроны и дырки в полупроводнике ( 4 фото )

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