Можно ли наблюдать воочию гибрид квантового колебания и электрона?
 Графическая модель квазичастицы, известной как фонон. Теоретики из США предложили
экспериментальный способ наблюдения так называемых фонитонов – новых
квазичастиц, описывающих суперпозицию электрона и кванта колебаний
кристаллической решетки. По мнению ученых, данные квантовые объекты в
будущем могут оказаться полезными при создании механических датчиков или
послужить в качестве ссылок в квантовом компьютере.
Новые знания о квантовых состояниях в твердом теле помогут пролить
свет на основы физики, а также найти путь для совершенствования
существующих устройств.
Известно, что в полупроводнике фотон может
сгенерировать возбужденный электрон и дырку проводимости (квазичастицу,
определяющую отсутствие электрона), которые могут быстро
рекомбинировать, в результате чего возникнет фотон той же частоты.
Если эти частицы «запереть» в энергетической ловушке, процесс будет
повторяться непрерывно, что приведет к созданию экситона-поляритона –
гибридного состояния фотонов и пары носителей заряда «электрон – дырка».
Группа ученых из США нашла способ применить те же идеи к созданию гибридного квантового состояния, где вместо фотона участвует квант колебаний кристаллической решетки.
С точки зрения квантовой теории, когда волна колебаний проходит через
кристаллическую решетку, она ведет себя как квазичастица, известная как
фонон. Хотя фононы могут взаимодействовать с
электронами, когда путешествуют через кристаллическую решетку,
формирование нового квантового состояния в этих условиях до сих пор
представлялось затруднительным. Ведь для формирования квантового
состояния фонон и электрон должны взаимодействовать и оставаться вместе в
течение достаточно длительного времени.
Но согласно статье, опубликованной учеными из Laboratory for Physical
Sciences и University of Maryland (США) в журнале Physical Review
Letters, кванты колебаний кристаллической решетки могут по-новому
сочетаться с электронами, перескакивающими с одного уровня на другой
(возбуждениями материи), формируя новый квантовый объект – фонитон.
Более того, в своей работе ученые предположили, какая именно
наноструктура должна поддерживать существование подобных квантовых
объектов, соответственно, позволила бы их наблюдать на эксперименте.
Для создания квантового состояния ученые предлагают использовать
кремний с донорной примесью (такой как фосфор). Донорные атомы заменяют
собой атомы кремния в кристаллической решетке, но «сэкономленный»
электрон оказывается запертым в энергетической ловушке, размеры которой
не превышают несколько нанометров в диаметре. Если такую кристаллическую
решетку растянуть или сжать должным образом, нулевое, а также нижнее
возбужденное состояние этого электрона разделяются на несколько мЭв.
Соответственно, фонон с этой энергией может воздействовать на электрон,
переводя его из нулевого состояния в возбужденное. Впоследствии электрон
может опуститься на нулевой уровень с излучением такого же фонона.
Работа ученых доказывает, что эти частицы можно «запереть» в наноструктуре, напоминающей слоеный пирог.
Центральная часть этой структуры должна состоять из кремния с донорной
примесью и иметь толщину порядка 10 нм, чтобы соответствовать длине
волны фонона с «правильной» частотой. Если легированный кремний зажать
между двумя кремниево-германиевыми слоями сверху и снизу, в
кристаллической решетке будут формироваться напряжения из-за
несоответствия их параметров. Если при этом правильно подобрать
соотношение кремния и германия, то напряжения будут рождать фононы.
Расположенная внутри наноколонна из кремния с донорной примесью будет
работать своего рода энергетической ловушкой на миллисекунды. Таким
образом, формируется стабильный фонон-электронный гибрид.
Поскольку новое состояние основано на колебаниях
кристаллической решетке, идеи в будущем может найти применение в
механических датчиках или квантовых компьютерах.
- Источник(и):
1. physics.aps.org 2. sci-lib.com
http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/mozhno-li-nablyudat-voochiyu-gibrid-kvantovogo-kolebaniya-elektrona
| 
