Ketertarikan yang berlawanan. Prinsip duniawi tentang hubungan antar manusia tidak selalu sesuai dengan kenyataan. Tetapi dalam fisika, semuanya seperti yang mereka katakan: muatan listrik yang berlawanan, misalnya, selalu menarik, dan yang serupa menolak. Prinsip ini sudah setua dunia itu sendiri, tetapi dapat juga mengalami beberapa modifikasi jika hukum dan fenomena fisika lain diterapkan. Sekelompok ilmuwan dari University of Southampton (Inggris) melakukan penelitian di mana mereka berhasil membuat jenis material baru yang disebut eksiton terikat foton. Yang paling disukai adalah foton menjadi penghubung antara elektron bermuatan negatif, yang, menurut logika, seharusnya ditolak. Bagaimana tepatnya foton digunakan, apa ciri-ciri atom yang ditemukan,dan di bidang apa pengembangan ini dapat digunakan? Kami belajar tentang ini dari laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Seperti yang telah kita ingat, seperti muatan (yaitu identik: ++ atau - -) harus saling tolak, dan muatan yang berlawanan (yaitu yang berlawanan: + - / - +) harus menarik. Namun, gambaran interaksi ini berubah jika Anda menambahkan sejumput foton, mis. partikel cahaya. Dalam hal ini, pengaruh efek fotolistrik ditambahkan - interaksi cahaya dan materi, ketika energi foton dipindahkan ke materi.
Dalam pekerjaan ini, para ilmuwan telah menciptakan sebuah nanodevice yang menangkap elektron ke dalam sumur kuantum berskala nano *... Jika foton membawa banyak energi ke perangkat, maka ini mengarah pada keluarnya elektron dari sumur. Dengan menempatkan perangkat ini di antara dua cermin emas, Anda dapat menjebak foton. Ini akan memfokuskan energi foton pada elektron, meningkatkan interaksi antara cahaya dan materi. Penambahan cermin menyebabkan elektron bermuatan negatif tetap berada di dalam sumur (tanpa cermin, foton mengeluarkannya dari sumur) dan mulai mengikat satu sama lain.
Sumur kuantum * adalah sumur potensial yang membatasi mobilitas partikel dari tiga ke dua dimensi (yaitu, partikel mulai bergerak dalam lapisan datar).Peran terpenting dalam kinerja seluruh sistem, secara alami, dimainkan oleh sumur kuantum yang dijelaskan di atas (QW dari sumur kuantum ). Ada beberapa alasan untuk ini, kata para ilmuwan.
Pertama, QW memungkinkan Anda mencapai kekuatan koneksi yang lebih besar antara cahaya dan materi, yang dapat diatur dengan mengubah kerapatan elektron * dalam QW.
Kerapatan elektron * - dalam mekanika kuantum, ukuran probabilitas bahwa sebuah elektron akan menempati elemen ruang yang sangat kecil di sekitar titik konvensional mana pun.Kedua, sumur kuantum dapat dibuat cukup sempit untuk mendapatkan satu subband elektronik terlokalisasi, yang tidak akan memiliki transisi intersubband.
Ketiga, dalam sistem seperti itu, interaksi Coulomb tidak menciptakan keadaan terikat.
Dari dua poin terakhir dapat disimpulkan bahwa sumur kuantum murni tanpa resonator fotonik sekitarnya tidak mewakili resonansi diskrit sama sekali, tetapi hanya pita serapan kontinu pada frekuensi yang melebihi ambang ionisasi.
Tidak adanya interaksi Coulomb dibenarkan oleh dispersi kuasi-paralel dari dua subband elektron, yang mengarah pada interaksi lubang elektron yang menjijikkan * .
Interaksi lubang elektron * (interaksi pn) - luas kontak dua partikel dengan jenis konduktivitas berbeda - lubang (p dari positif - positif) dan elektronik (n dari negatif - negatif).Hal ini sangat berbeda dengan kasus transisi antar pita pada panjang gelombang yang lebih pendek, di mana interaksi lubang elektron menarik dan mengarah pada penciptaan resonansi sempit di luar kontinum lubang elektron tanpa adanya efek polariton.
Jadi, pembentukan polariton * dapat mengubah resonansi yang ada, tetapi tidak mengarah pada penciptaan resonansi elektron terlokalisasi baru.
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- subband elektron yang awalnya terisi memiliki massa efektif positif, dan pemetaan lubang elektron mengarah ke lubang bermuatan positif dengan massa efektif negatif.
Gambar di atas adalah skema dari fenomena di atas. Dalam kasus transisi interband dalam sumur kuantum tak teropong, elektron yang berpartisipasi dalam transisi awalnya menempati pita valensi dengan massa efektif negatif. Namun, dalam kasus transisi intersubband di sumur kuantum terdoping, peran yang sama dimainkan oleh subband konduksi terisi sebagian pertama, yang memiliki massa efektif positif * . Dalam pemetaan lubang elektron konvensional, ini menghasilkan lubang bermuatan positif dengan massa efektif negatif.
* — , .Massa efektif elektron di subband m 2 tereksitasi di sumur kuantum GaAs lebih besar dari massa di subband pertama m 1 . Hal ini menyebabkan berkurangnya massa pasangan lubang elektron antar pita m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
Di hadapan setiap potensial menarik dari dua benda, massa negatif mengarah ke interaksi lubang elektron yang tolak, yang, pada gilirannya, tidak dapat menciptakan keadaan terikat.
Untuk konfirmasi praktis dari keberadaan keadaan terikat yang dimediasi foton, sebuah sistem dibuat yang terdiri dari 13 sumur kuantum GaAs / AlGaAs yang tertanam dalam resonator rongga mikro emas kisi sempit.
Gambar No. 2: diagram pengaturan eksperimental. 2a - distribusi komponen medan listrik, ortogonal ke lapisan logam, untuk satu periode (D) struktur dan untuk mode TM02 resonator pita; 2b - mikroskop dari satu set sampel; 2c - Pengaturan eksperimental yang digunakan untuk pengukuran reflektansi (mikroskop inframerah-tengah yang dihubungkan ke spektroskop FTIR.
Resonatornya adalah pita satu dimensi, dan medan elektromagnetik (diagram 2a ) hampir seluruhnya terkandung di bawah pin logam.
Dimensi dari sumur kuantum cukup tipis untuk memiliki hanya satu subband konduksi yang terperangkap, karena kehadiran subband kedua akan menyebabkan terciptanya polariton intersubband.
Jika terdapat dua sub-zona, maka kehadiran transisi ikatan-ikatan akan menyebabkan kejenuhan kekuatan osilator yang tersedia, yang akan menyebabkan penekanan transisi ikatan-kontinum, yang harus dipelajari dalam pengujian ini.
Untuk memeriksa parameter penting ini, dua sampel HM4229 dan HM4230 dibuat, berbeda dalam lebar sumur kuantum dan doping. Sampel HM4229 berisi sumur kuantum GaAs setebal 4 nm (dengan lebar L QW = 4 nm), yang masing-masing didoping dengan kepadatan 5 × 10 12 cm -2 . Dan sampel HM4230 berisi sumur kuantum (L QW= 3,5 nm) didoping pada 4,77 x 10 12 cm -2 .
Gambar No. 3: sifat kopling-kontinum dari transisi optik dalam QW murni tanpa resonator fotonik sekitarnya. 3a - pengukuran transmisi pada 300 K untuk sampel dengan QW dengan lebar berbeda L QW ; 3b - 3e adalah skema ikatan-ikatan ( 3b dan 3c ) dan transisi ikatan-kontinum ( 3d dan 3e ) dalam sumur kuantum yang didoping.
-* — , , , () , .Diagram 3b - 3f menunjukkan bahwa transisi jenis yang berbeda (ikatan-ikatan dan ikatan-kontinum) dalam keadaan partikel tunggal potensial QW yang berbeda mengalami pergeseran frekuensi yang berlawanan dengan penurunan L QW : yang pertama memiliki pergeseran biru * , yang terakhir memiliki pergeseran merah * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
Pergeseran biru * adalah fenomena panjang gelombang radiasi yang menurun dan frekuensinya meningkat.Ini memungkinkan untuk mengevaluasi sifat transisi optik dengan menganalisis spektrum transmisi dua sampel sebelum menggunakan emas ( 3a ).
Pergeseran merah * - fenomena di mana panjang gelombang radiasi meningkat (cahaya menjadi lebih merah, misalnya), dan frekuensi serta energi menurun.
Ada absorpsi yang sangat luas di sini, yang (menjadi polarisasi magnetik transversal) dikaitkan dengan sumur kuantum yang didoping. Wilayah yang lebih sempit sekitar 140 meV juga diamati, yang merupakan tepi kontinum. Ilmuwan mencatat bahwa fungsi ini tidak mengarah pada pergeseran biru dengan penurunan L QW , tetapi menunjukkan transfer bobot spektral ke bagian merah spektrum. Transisi ikatan-ikatan kemudian akan menyebabkan pergeseran biru orde puluhan milielektronvolt, membuktikan sifat transisi terikat-kontinum dalam QWs murni.
Seperti disebutkan sebelumnya, semua sampel dibuat dalam kisi logam-semikonduktor-logam dan pin logam dengan lebar p ( 2a dan 2b ). Karena medan elektromagnetik sangat terlokalisasi di bawah jari-jari logam, sistem ini pada dasarnya berperilaku seperti resonator Fabry - Perot * .
Fabry - Perot resonator * adalah resonator optik di mana cermin paralel diarahkan satu sama lain. Gelombang optik berdiri resonan dapat terbentuk di antara cermin-cermin ini.Beberapa perangkat diproduksi berdasarkan kisi-kisi dengan luas 200 x 200 μm dengan langkah berkisar dari 800 nm hingga 5 μm, yang memungkinkan mencakup rentang frekuensi yang luas ( 2b ). Data reflektansi diperoleh untuk setiap perangkat pada 78 K menggunakan spektroskopi FTIR yang dilengkapi dengan cryostat sangat kompak ( 2c ).
Gambar # 4: Data reflektifitas eksperimental. 4 - data tentang reflektifitas sampel yang didoping HM4229 tergantung pada frekuensi resonator; 4b - data pantulan untuk HM4229 (merah) dan resonator murni (hijau) untuk frekuensi ω = 157,8 meV (garis padat), ℏω = 147 meV (garis putus-putus) dan ℏω c = 141,5 meV (garis putus-putus ); 4c - lebar garis untuk berbagai getaran sebagai fungsi energi getaran.
Hasil analisis ini disajikan dalam grafik di atas. Gambar 4a menunjukkan peta reflektansi sampel HM4229 pada 78 K sebagai fungsi dari frekuensi resonator murni. Jika kontinum absorpsi diamati di atas ambang ionisasi (ditunjukkan oleh garis putus-putus hitam horizontal), maka resonansi polariton sempit muncul di bawah. Ini bergeser merah lebih dari 20 meV sehubungan dengan resonator murni.
Frekuensi puncak diplot pada peta warna menggunakan beberapa data Lorentz fit. Segitiga merah dan kotak biru masing-masing mewakili frekuensi di bawah dan di atas ambang ionisasi yang diidentifikasi. Sebagai perbandingan, lingkaran hijau menandai frekuensi resonator murni yang diukur pada sampel yang tidak diberi garis.
Di bawah ambang ionisasi, masa pakai mode polariton diskrit terutama dibatasi oleh masa pakai rongga. Di atas, ada spektrum kontinum komunikasi, di mana hanya fitur-fitur yang sangat luas dan tidak terbatas yang dapat diidentifikasi.
Perbandingan spektrum sampel yang didoping dan tidak diolah menunjukkan bahwa resonansi diskrit terjadi pada sampel yang didoping di bawah tepi kontinum, sedangkan dalam sampel yang identik tetapi tidak terikat secara elektromagnetik tidak ada.
Keadaan diskrit hibrida semacam itu dapat digambarkan sebagai polariton, yang kerapatan elektronnya relatif terhadap keadaan dasar adalah:
∆N (z) = P [| Ψ e (z) | 2 - | Ψ g (z) | 2 ]di mana P (dalam kisaran 0 ... 1) adalah berat komponen polariton materi; Ψ g (z) adalah fungsi gelombang yang dinormalisasi dari sebuah elektron dalam keadaan dasarnya; Ψ e (z) adalah fungsi gelombang dari keadaan elektronik terlokalisasi yang dihasilkan oleh interaksi cahaya dan materi.
Gambar No. 5: perhitungan P. 5 - eigenmodes diperoleh menggunakan model teoritis dengan parameter yang dipilih untuk mencocokkan data reflektansi eksperimental pada peta warna; 5b adalah parameter yang diambil dari 5a yang digunakan untuk menghitung P untuk mode polariton diskrit.
Pada 5aHasil penggunaan model teoritis untuk pemodelan spektrum pantulan yang diamati dan membandingkannya dengan data eksperimen ditampilkan secara visual. Parameter-parameter ini memungkinkan perhitungan P ( 5b ).
Dari model ini, resonansi diskrit di bawah ambang ionisasi didefinisikan dengan jelas untuk nilai P bukan nol, yang menunjukkan pengisian yang signifikan dari fungsi gelombang elektron Ψ e (z) yang dihasilkan oleh cahaya .
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Eksperimen ini memungkinkan untuk mendemonstrasikan kemungkinan penggandengan transisi pengion dengan resonator fotonik, yang mengarah pada modifikasi nonperturbatif pada struktur elektronik sistem.
Hasilnya adalah eksitasi polariton hibrid, komponen materialnya adalah keadaan terikat yang dihasilkan oleh interaksi cahaya dan materi, yang terdiri dari elektron dan lubang, yang disatukan karena interaksinya dengan medan elektromagnetik transversal.
Menurut para ilmuwan, kemampuan menyelaraskan sifat-sifat material karena hubungannya dengan bidang foton sebuah rongga mikro adalah arah yang sangat menjanjikan.
Dalam karya ini, mereka mampu menciptakan perangkat, dibatasi pada dua sisi oleh cermin emas, yang menangkap foton dan memfokuskan energi cahaya ke elektron, yang secara dramatis memperkuat hubungan antara cahaya dan materi. Dalam proses eksperimen, diketahui bahwa elektron bermuatan negatif yang dikeluarkan oleh foton tetap terperangkap dalam sumur kuantum, terkait dengan elektron bermuatan negatif lainnya. Selain itu, konfigurasi ini tetap stabil karena aksi foton.
Dengan kata lain, studi ini menunjukkan kemungkinan untuk menciptakan atom buatan jenis baru, yang konfigurasi elektroniknya dapat disesuaikan sesuka hati.
Photonics adalah cabang ilmu yang cukup muda, tetapi pada saat yang sama pengaruhnya terus berkembang setiap tahun, karena jenis penelitian ini. Cahaya, seperti banyak fenomena lainnya, dapat dibandingkan dengan kucing Schrödinger: di satu sisi, semuanya jelas dan jelas, tetapi jika Anda menggali lebih dalam, kebenaran sederhana menjadi jelas - tidak peduli berapa banyak jawaban yang diterima seseorang, akan selalu ada lebih banyak pertanyaan. Namun demikian, dalam mencari jawaban atas pertanyaan, setidaknya dalam sains, yang penting bukanlah jawaban itu sendiri melainkan jalan menuju ke sana.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga minggu kerja Anda bagus, guys. :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?