Gegensätze ziehen sich an. Dieses weltliche Prinzip in Bezug auf die Beziehungen zwischen Menschen entspricht nicht immer der Realität. Aber in der Physik ist alles so, wie sie sagen: Gegensätzliche elektrische Ladungen ziehen sich zum Beispiel immer an und ähnliche stoßen sich ab. Dieses Prinzip ist so alt wie die Welt selbst, kann aber auch modifiziert werden, wenn andere physikalische Gesetze und Phänomene angewendet werden. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Southampton (UK) führte eine Studie durch, in der es ihnen gelang, eine neue Art von Material zu erzeugen, das als photonengebundenes Exziton bezeichnet wird. Am erfreulichsten ist, dass die Photonen zu einem Bindeglied zwischen negativ geladenen Elektronen wurden, die nach der Logik hätten abgestoßen werden müssen. Wie genau wurden die Photonen verwendet, was sind die Merkmale des erfundenen Atoms,und in welchen bereichen kann diese entwicklung genutzt werden? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Gehen.
Grundlagen der Forschung
Wie wir uns bereits erinnert haben, sollten sich Ladungen (d. H. Identisch: ++ oder - -) gegenseitig abstoßen und im Gegensatz zu (d. H. Gegenteil: + - / - +) anziehen. Das Bild dieser Wechselwirkung ändert sich jedoch, wenn Sie eine Prise Photonen hinzufügen, d. H. Lichtteilchen. In diesem Fall wird der Einfluss des photoelektrischen Effekts hinzugefügt - die Wechselwirkung von Licht und Materie, wenn die Energie von Photonen auf Materie übertragen wird.
In dieser Arbeit haben Wissenschaftler ein Nanogerät entwickelt, das Elektronen in nanoskaligen Quantentöpfen einfängt *... Wenn die Photonen viel Energie in das Gerät bringen, führt dies zum Austritt von Elektronen aus der Wanne. Indem Sie dieses Gerät zwischen zwei Goldspiegeln platzieren, können Sie die Photonen einfangen. Dadurch wird die Energie der Photonen auf die Elektronen fokussiert und die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie verbessert. Die Zugabe von Spiegeln bewirkte, dass die negativ geladenen Elektronen in der Wanne blieben (ohne die Spiegel stießen Photonen sie aus der Wanne aus) und begannen, sich aneinander zu binden.
Quantentopf * ist ein Potentialtopf, der die Beweglichkeit von Partikeln von drei auf zwei Dimensionen begrenzt (d. H. Partikel beginnen sich in einer flachen Schicht zu bewegen).Die wichtigste Rolle für die Leistung des gesamten Systems spielen natürlich die oben beschriebenen Quantentöpfe (QW aus Quantentopf ). Dafür gibt es mehrere Gründe, sagen Wissenschaftler.
Erstens können Sie mit QW eine größere Stärke der Verbindung zwischen Licht und Materie erzielen, die durch Ändern der Elektronendichte * in QW reguliert werden kann .
Elektronendichte * - in der Quantenmechanik ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron ein unendlich kleines Raumelement einnimmt, das einen herkömmlichen Punkt umgibt.Zweitens können die Quantentöpfe eng genug gemacht werden, um ein lokalisiertes elektronisches Teilband zu erhalten, das keine Zwischensubbandübergänge aufweist.
Drittens erzeugt die Coulomb-Wechselwirkung in einem solchen System keine gebundenen Zustände.
Aus den letzten beiden Punkten folgt, dass reine Quantentöpfe ohne einen umgebenden photonischen Resonator überhaupt keine diskrete Resonanz darstellen, sondern nur ein kontinuierliches Absorptionsband bei Frequenzen, die die Ionisationsschwelle überschreiten.
Das Fehlen der Coulomb-Wechselwirkung wird durch die quasi-parallele Dispersion der beiden Elektronensubbänder gerechtfertigt, die zu einer abstoßenden Elektron-Loch-Wechselwirkung * führt .
Elektron-Loch-Wechselwirkung * (pn-Wechselwirkung) - der Kontaktbereich zweier Teilchen mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen - Loch (p von positiv - positiv) und elektronisch (n von negativ - negativ).Dies unterscheidet sich stark von den Fällen von Interbandübergängen bei kürzeren Wellenlängen, bei denen die Elektron-Loch-Wechselwirkung attraktiv ist und ohne Polaritoneffekte zur Erzeugung enger Resonanzen außerhalb des Elektron-Loch-Kontinuums führt.
Somit kann die Bildung von Polaritonen * vorhandene Resonanzen verändern, führt jedoch nicht zur Erzeugung neuer lokalisierter Elektronenresonanzen.
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- Das anfänglich gefüllte Teilband von Elektronen hat eine positive effektive Masse, und die Abbildung von Elektronenlöchern führt zu einem positiv geladenen Loch mit einer negativen effektiven Masse.
Die obigen Bilder sind eine schematische Darstellung des obigen Phänomens. Bei Interbandübergängen in undotierten Quantentöpfen besetzen die am Übergang beteiligten Elektronen zunächst das Valenzband mit einer negativen effektiven Masse. Bei Intersubband-Übergängen in dotierten Quantentöpfen spielt das erste teilweise gefüllte Leitungs-Teilband, das eine positive effektive Masse * aufweist , die gleiche Rolle . Bei der herkömmlichen Elektronenlochkartierung führt dies zu einem positiv geladenen Loch mit negativer effektiver Masse.
* — , .Die effektive Elektronenmasse im angeregten Teilband m 2 in GaAs-Quantentöpfen ist größer als die Masse im ersten Teilband m 1 . Dies führt zu einer negativ reduzierten Masse des Intersubband-Elektron-Loch-Paares m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
Bei Vorhandensein eines attraktiven Potentials zweier Körper führt eine negative Masse zu einer abstoßenden Elektron-Loch-Wechselwirkung, die wiederum keine gebundenen Zustände erzeugen kann.
Zur praktischen Bestätigung des Vorhandenseins von Photonen-vermittelten gebundenen Zuständen wurde ein System erstellt, das aus 13 GaAs / AlGaAs-Quantentöpfen besteht, die in Resonatoren mit schmalem Gittergold-Mikrokavität eingebettet sind.
Bild Nr. 2: Diagramm des Versuchsaufbaus. 2 - Verteilung der elektrischen Feldkomponente orthogonal zu den Metallschichten für eine Periode (D) der Struktur und für den TM02-Modus des Bandresonators; 2b - Mikroskopie eines Probensatzes; 2c - Versuchsaufbau für Reflexionsmessungen (ein an ein FTIR-Spektroskop angeschlossenes Mittelinfrarotmikroskop.
Die Resonatoren sind eindimensionale Bänder, und das elektromagnetische Feld (Diagramm 2a ) ist fast vollständig unter den Metallstiften enthalten.
Die Dimensionen der Quantentöpfe waren dünn genug, um nur ein eingeschlossenes Leitungs-Teilband zu haben, da das Vorhandensein des zweiten Teilbandes zur Erzeugung von Intersubband-Polaritonen führen würde.
Wenn es zwei Unterzonen gäbe, würde das Vorhandensein eines Bindungs-Bindungs-Übergangs zu einer Sättigung der verfügbaren Oszillatorstärke führen, was zur Unterdrückung des Bindungs-Kontinuum-Übergangs führen würde, was in diesem Test untersucht werden sollte.
Um diesen wichtigen Parameter zu überprüfen, wurden zwei Proben HM4229 und HM4230 hergestellt, die sich in der Breite der Quantentopf und der Dotierung unterschieden. Die Probe HM4229 enthielt 4 nm dicke GaAs-Quantentöpfe (mit einer Breite L QW = 4 nm), von denen jede mit einer Dichte von 5 × 10 12 cm –2 dotiert war . Die HM4230-Probe enthielt Quantentöpfe (L QW)= 3,5 nm) dotiert bei 4,77 × 10 12 cm –2 .
Bild 3: Optischer Übergang zwischen Kopplung und Kontinuum in reinem QW ohne umgebenden photonischen Resonator. 3 - Messung der Transmission bei 300 K für Proben mit QW unterschiedlicher Breite L QW ; 3b - 3e sind Bindungsbindungsschemata ( 3b und 3c ) und Bindungskontinuumsübergänge ( 3d und 3e ) in dotierten Quantentöpfen.
-* — , , , () , .Die Diagramme 3b - 3f zeigen, dass Übergänge verschiedener Typen (Bindungsbindung und Bindungskontinuum) in verschiedenen Einzelteilchenzuständen des QW-Potentials mit abnehmendem L QW entgegengesetzte Frequenzverschiebungen erfahren : Die ersteren haben eine Blauverschiebung * , die letzteren eine Rotverschiebung * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
Blauverschiebung * - ein Phänomen, bei dem die Wellenlänge der Strahlung abnimmt und die Frequenz zunimmt.Dies ermöglichte es, die Art des optischen Übergangs durch Analyse des Transmissionsspektrums von zwei Proben vor Verwendung von Gold ( 3a ) zu bewerten .
Rotverschiebung * - ein Phänomen, bei dem die Wellenlänge der Strahlung zunimmt (z. B. wird das Licht röter) und Frequenz und Energie abnehmen.
Hier gibt es eine sehr breite Absorption, die (als transversale magnetische Polarisation) mit dotierten Quantentöpfen verbunden ist. Es wird auch ein engerer Bereich von etwa 140 meV beobachtet, der der Rand des Kontinuums ist. Wissenschaftler stellen fest, dass diese Funktion nicht zu einer Blauverschiebung mit abnehmendem L QW führt , sondern die Übertragung des Spektralgewichts auf den roten Teil des Spektrums zeigt. Der Bindungs-Bindungs-Übergang würde dann zu einer Blauverschiebung in der Größenordnung von zehn Millielektronvolt führen, was die kontinuumsgebundene Natur von Übergängen in reinen QWs beweist.
Wie bereits erwähnt, wurden alle Proben in einem Metall-Halbleiter-Metall-Gitter und Metallstiften der Breite p ( 2a und 2b ) hergestellt. Da das elektromagnetische Feld unter den Metallfingern extrem lokalisiert ist, verhält sich das System im Wesentlichen wie ein Fabry-Perot-Resonator * .
Der Fabry-Perot-Resonator * ist ein optischer Resonator, bei dem parallele Spiegel aufeinander gerichtet sind. Zwischen diesen Spiegeln kann sich eine resonante stehende optische Welle bilden.Mehrere Geräte wurden auf der Basis von Gittern mit einer Fläche von 200 x 200 μm mit einem Schritt im Bereich von 800 nm bis 5 μm hergestellt, der die Abdeckung eines weiten Frequenzbereichs ermöglicht ( 2b ). Reflexionsdaten wurden für jede Vorrichtung bei 78 K unter Verwendung eines FTIR-Spektroskops erhalten, das mit einem sehr kompakten Kryostaten ( 2c ) ausgestattet war.
Bild 4: Experimentelle Reflektivitätsdaten. 4 - Daten zum Reflexionsvermögen der dotierten Probe HM4229 in Abhängigkeit von der Resonatorfrequenz; 4b - Reflexionsdaten für HM4229 (rot) und einen reinen Resonator (grün) für Frequenzen ω = 157,8 meV (durchgezogene Linien), ℏω = 147 meV (gestrichelte Linien) und ℏω c = 141,5 meV ( gestrichelte Linien); 4c - Linienbreite für verschiedene Schwingungen als Funktion der Schwingungsenergie.
Die Ergebnisse dieser Analyse sind in den obigen Grafiken dargestellt. Fig. 4a zeigt eine Karte des Reflexionsvermögens der Probe HM4229 bei 78 K als Funktion der Frequenz des reinen Resonators. Wenn ein Absorptionskontinuum oberhalb der Ionisationsschwelle beobachtet wird (dargestellt durch die schwarze horizontale gepunktete Linie), erscheint unten eine enge Polaritonenresonanz. Es ist gegenüber einem sauberen Resonator um mehr als 20 meV rotverschoben.
Die Spitzenfrequenzen wurden auf einer Farbkarte unter Verwendung mehrerer Lorentz-Datenanpassungen aufgezeichnet. Rote Dreiecke und blaue Quadrate repräsentieren Frequenzen unterhalb bzw. oberhalb der identifizierten Ionisationsschwelle. Zum Vergleich markieren grüne Kreise die Frequenz eines reinen Resonators, gemessen an einer undotierten Probe.
Unterhalb der Ionisationsschwelle ist die Lebensdauer eines diskreten Polaritonenmodus hauptsächlich durch die Lebensdauer des Hohlraums begrenzt. Oben gibt es ein Spektrum von Kommunikationskontinuum, in dem nur sehr erweiterte und unbestimmte Merkmale identifiziert werden können.
Ein Vergleich der Spektren von dotierten und undotierten Proben zeigte, dass in der dotierten Probe unterhalb des Randes des Kontinuums eine diskrete Resonanz auftritt, während dies bei einer identischen, aber elektromagnetisch ungebundenen Probe nicht der Fall ist.
Ein solcher hybrider diskreter Zustand kann als Polariton beschrieben werden, dessen Elektronendichte relativ zum Grundzustand beträgt:
∆N (z) = P [| Ψ e (z) | 2 - | Ψ g (z) | 2 ]wobei P (im Bereich 0 ... 1) das Gewicht der Polaritonen-Komponente der Materie ist; Ψ g (z) ist die normalisierte Wellenfunktion eines Elektrons in seinem Grundzustand; Ψ e (z) ist die Wellenfunktion eines lokalisierten elektronischen Zustand durch die Wechselwirkung von Licht und Materie erzeugt.
Bild Nr. 5: Berechnungen S. 5 - Eigenmodi, die unter Verwendung eines theoretischen Modells mit Parametern erhalten wurden, die ausgewählt wurden, um mit den experimentellen Reflexionsdaten auf der Farbkarte übereinzustimmen; 5b sind aus 5a extrahierte Parameter , die verwendet werden, um P für den diskreten Polaritonenmodus zu berechnen.
Um 5aDas Ergebnis der Verwendung des theoretischen Modells zur Modellierung des beobachteten Reflexionsspektrums und zum Vergleich mit experimentellen Daten wird visuell angezeigt. Diese Parameter ermöglichten die Berechnung von P ( 5b ).
Aus diesem Modell folgt, dass die diskrete Resonanz unterhalb der Ionisationsschwelle für Werte ungleich Null von P klar definiert ist, was eine signifikante Füllung der durch das Licht erzeugten Elektronenwellenfunktion Ψ e (z) zeigt.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
Dieses Experiment ermöglichte es, die Möglichkeit der Kopplung eines ionisierenden Übergangs mit einem photonischen Resonator zu demonstrieren, was zu einer nicht störenden Modifikation der elektronischen Struktur des Systems führt.
Das Ergebnis ist eine hybride Polaritonenanregung, deren Materialkomponente ein gebundener Zustand ist, der durch die Wechselwirkung von Licht und Materie erzeugt wird und aus einem Elektron und einem Loch besteht, die aufgrund ihrer Wechselwirkung mit einem transversalen elektromagnetischen Feld zusammengehalten werden.
Laut Wissenschaftlern ist die Fähigkeit, die Eigenschaften eines Materials aufgrund der Verbindung mit dem Photonenfeld einer Mikrokavität abzustimmen, eine äußerst vielversprechende Richtung.
In dieser Arbeit gelang es ihnen, ein Gerät zu schaffen, das auf zwei Seiten durch goldene Spiegel begrenzt ist, die Photonen einfangen und Lichtenergie auf Elektronen fokussieren, was die Verbindung zwischen Licht und Materie dramatisch stärkt. Während der Experimente wurde festgestellt, dass das vom Photon ausgestoßene negativ geladene Elektron in der Quantentopf eingeschlossen bleibt, verbunden mit anderen negativ geladenen Elektronen. Darüber hinaus bleibt diese Konfiguration aufgrund der Wirkung von Photonen stabil.
Mit anderen Worten, diese Studie zeigt die Möglichkeit, eine neue Art künstlicher Atome zu erzeugen, deren elektronische Konfigurationen nach Belieben angepasst werden können.
Die Photonik ist ein relativ junger Wissenschaftszweig, aber gleichzeitig wächst ihr Einfluss aufgrund dieser Art von Forschung jedes Jahr. Licht kann wie viele andere Phänomene mit Schrödingers Katze verglichen werden: Einerseits ist alles klar und offensichtlich, aber wenn Sie tiefer graben, wird eine einfache Wahrheit offensichtlich - egal wie viele Antworten eine Person erhält, es wird immer mehr Fragen geben. Bei der Suche nach Antworten auf Fragen, zumindest in der Wissenschaft, ist jedoch weniger die Antwort selbst wichtig als der Weg dorthin.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)
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