Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) обнаружили образцы нового состояния материи, который они называют когерентным экситонным газом. Исследование его свойств может существенно продвинуть нас на пути к экситонной электронике.

В работе, опубликованной 29 марта в журнале Nature, учёные описывают возникновение «спонтанной когерентности», «спиновых текстур» и «фазовой сингулярности» в момент, когда экситоны — квазичастицы, состоящие из связанной пары электронов и дырок и определяющие особые свойства полупроводников, — охлаждаются почти до абсолютного нуля (0,1 К). Это когерентное состояние материи они полагают доселе неизученным, новооткрытым.

Исследовательской группой руководит Леонид Бутов, профессор упомянутого вуза. В 2002 году он установил, что охлаждённые экситоны имеют тенденцию к самоорганизации в ряд микроскопических капель, напоминающих миниатюрное жемчужное ожерелье.

Рис. 1. При помощи поляризации учёным удалось получить изображения спиновых текстур. (Здесь и ниже изображения группы Леонида Бутова).

На сей раз, используя более эффективное охлаждение вместо 1 К, как в 2002 году, удалось достичь ещё меньших температур, а затем с помощью интерферометра измерить когерентность и спин каждой из этих «капель». При этом обнаружилось, что

спин экситонов неоднороден в пространстве: он формирует структуры, которые исследователи нарекли «спиновыми текстурами». Кроме того, оказалось, что структуры со спонтанной когерентностью связаны со структурами спиновой поляризации фазовыми сингулярностями в когерентном экситонном газе.

«Увидеть такие структуры было сюрпризом, — замечает ведущий исследователь Алекс Хай. — А ещё бόльшим сюрпризом стали измерения поляризации, показавшие, что между когерентностью и поляризацией существует сильная корреляция».

По словам Леонида Бутова,

физика экситонов интересна сама по себе, но понимание базисных свойств экситонов необходимо для создания в будущем экситонных [оптоэлектронных] устройств. Отметим, что теоретически подобные приборы позволили бы использовать в качестве транзистора квазичастицы атомных и даже субатомных размеров.

Сами экситоны в ходе экспериментов создавались при помощи лазерных импульсов, которые воздействовали на образцы арсенида галлия, широко используемого в транзисторах обычных сотовых телефонов. При этом создаётся пара из отрицательно заряженного электрона, который лазер выбивает со своей орбиты, и положительной дырки.

Рис. 2. Схема устройства интерферометра, при помощи которого было сделано открытие.

Взаимное притяжение удерживает электрон и дырку вместе, придавая экситону, который они вместе составляют, свойства, отличающиеся от свойств электрона и дырки по отдельности. Однако иногда последние могут слиться: электрон займёт дырку, и экситон прекратит существование. Чтобы контролировать этот процесс, группа г-на Бутова применяет наноструктуры, называемые «квантовыми ямами», которые позволяют добиться устойчивого существования экситонов в течение примерно 50 наносекунд эксперимента.

«Именно за это время экситоны охлаждаются, формируют конденсат и демонстрируют интересную спиновую физику», — комментируют учёные. Затем происходит слияние электрона и дырки, при котором они испускают свет, изучаемый при помощи сложной систем зеркал — интерферометра, разделяющего получаемый пучок света на два пространственных компонента.

Именно этот метод и позволил калифорнийцам в ходе эксперимента заметить спонтанную когерентность в экситонах, никогда ранее не отмечавшуюся другими учёными.