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.