Квантовая азбука: «Зоопарк квазичастиц»

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо — иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. Мы уже говорили о квантовых компьютерах, нелокальности, квантовой телепортации и когерентности. Сегодня речь пойдет про еще один странный объект — квазичастицы.

Квазичастиц, на самом деле, очень много. Поэтому для первого знакомства мы решили так: чтобы проще было разобраться в теме, мы попросили профессора Саутгемптонского университета и руководителя научной группы «Квантовая поляритоника» Российского квантового центра Алексея Кавокина коротко рассказать о семи самых занятных, по его мнению, квазичастицах. Рассказ Алексей сопроводил очень полезными и информативными иллюстрациями, главные герои которых, коты.

Чем квазичастицы отличаются от частиц? Тем, что они сидят в клетке и не могут выйти. Квазичастицы придумал Лев Ландау, чтобы упростить описание многочастичных физических процессов, происходящих в кристаллах. Вместо того, чтобы решать миллиарды уравнений, описывающих движение атомов и электронов в кристаллической решетке, оказалось достаточным записать всего несколько уравнений для придуманных частиц — квазичастиц — которые движутся по кристаллу, как по пустому пространству, не замечая отдельных атомов или ионов. Обладая полной свободой внутри кристалла, квазичастицы не могут выйти наружу. Те из них, которые решатся выглянуть за пределы кристаллической решетки, должны будут резко поменять свои свойства и превратиться в обычные частицы — электроны, ионы, фотоны.

Электрон

Чем отличается электрон-квазичастица от электрона-элементарной частицы? Отличие в массе. Распространяясь в кристаллической решетке, электрон становится легче. Говоря более строго: электрон-квазичастица описывается эффективной массой, которая зависит от параметров кристаллической решетки. В некоторых полупроводниковых кристаллах эффективная масса электрона бывает в 10 и даже 20 раз меньше массы свободного электрона. Более того, в графене — двумерном кристалле, состоящем из атомов углерода, построенных в форме пчелиных сот — некоторые из электронов-квазичастиц вообще не имеет массы. Все такие электроны летают с одинаковой по величине скоростью.

Дырка

Дырки похожи на пузырьки воздуха в воде. Вместо воды в кристалле электроны. Пустые места, где нет электронов — это дырки. Так же, как пузырьки газа, они всплывают наверх, на поверхность электронного моря, которая в кристалле называется поверхностью Ферми. Масса дырки отрицательная — именно поэтому она всплывает, а не тонет. Дырка имеет электрический заряд, равный заряду электрона, однако имеющий противоположный знак. Вы спросите: как же пустое место может иметь электрический заряд? Представьте, что все пространство заполнено отрицательно заряженной водой. Что надо сделать, чтобы в маленьком выделенном объеме заряд стал нулевым? Ответ: надо добавить в этот объем столько положительных зарядов, сколько в нем было отрицательных. Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный заряд электронной жидкости.

Экситон

Экситон похож на атом водорода. В атоме водорода отрицательно заряженный электрон (элементарная частица) крутится вокруг положительно заряженного протона. В экситоне отрицательно заряженный электрон (квазичастица) крутится вокруг положительно заряженной дырки. Концепцию экситона развил в 1920-е годы советский ученый Яков Френкель. Экспериментально обнаружил экситоны другой отечественный ученый, Евгений Гросс, в 1952 году. Из-за того, что электрон и дырка в кристалле гораздо легче электрона и протона в атоме водорода, а взаимодействие между квазичастицами ослаблено в кристаллической среде, экситоны получаются очень большими: характерный размер экситона может в сотни раз превышать размер атома. Также, в отличие от атома водорода, экситон не вечен. Его время жизни обычно не превышает одной миллиардной доли секунды. По истечении этого времени пузырек воздуха заполняется водой: электрон и дырка рекомбинируют. Исчезая, экситон передает свою энергию кристаллической решетке или излучает квант света — фотон. Детектируя свет, излученный экситонами, мы получаем информацию об их строении и свойствах.

Фотон

Фотон — это квант света. Проходя через кристаллическую решетку, фотоны меняют свои свойства. Если в пустоте все фотоны летят с одинаковой скоростью — скоростью света — то в кристалле многие из них замедляются и даже останавливаются. Это явление называется «медленный свет». Взаимодействуя с экситонами, свет начинает вести себя как жидкость: он формирует капли, водовороты, стоячие волны, водопады. Свет можно направлять через каналы, менять его траекторию, скорость, поляризацию. Некоторые теоретики даже считают, что свет можно заморозить. Фотоны, распространяющиеся в кристалле, — это квазичастицы. Их свойства отличаются от свойств их собратьев, летящих в пустоте. Например, в пустоте фотон не имеет массы, а в кристалле у него появляется масса.

Фонон

Фононы — это кванты колебаний кристаллической решетки. Концепция фонона была разработана советским физиком Игорем Таммом. Фононы возникают из-за того, что ионы, составляющие решетку кристалла, не стоят на месте, а колеблются вблизи своих равновесных положений. Такие колебания складываются в волны. На языке квазичастиц, распространение колебаний решетки эквивалентно потоку фононов. Фононы переносят звук, вносят значительный вклад в теплопроводность, отвечают за образование других квазичастиц — куперовских пар.

Куперовская пара

При низких температурах в некоторых металлах наблюдается сверхпроводимость — распространение электрического тока без сопротивления. Понять, как возникает это интересное явление, можно на примере двух самолетов, летающих друг за другом по кругу. Самолеты — электроны. В металле, как правило, они носятся с огромными скоростями (скорость Ферми). Пролетая через кристаллическую решетку, электрон испускает фонон — медленную квазичастицу, парашютиста. Через некоторое время другой самолет подбирает парашютиста и выбрасывает его вновь. Два электрона обмениваются фононами, находясь на достаточно большом расстоянии друг от друга. Фононный механизм притяжения оказывается более эффективным, чем отталкивание квазичастиц, имеющих одинаковый электрический заряд. Сформированные таким образом пары электронов — куперовские пары — обладают необычным свойством: они любят двигаться с одинаковой скоростью. Это и приводит к сверхпроводимости. Представьте себе множество автомобилей на шоссе. Если бы все они двигались с одинаковой скоростью, пробок бы не было. Так и поток куперовских пар распространяется без сопротивления.

Плазмон

Электроны в кристалле ведут себя примерно так же, как вода в озере. Под действием ветра на поверхности озера образуются волны, которые накатывают то на один берег озера, то на другой. Ветер — свет. Волны на поверхности электронной жидкости — плазмоны. Кристалл, как целое, электрически нейтрален. Смещение отрицательно заряженной электронной жидкости (плазмы) относительно положительно заряженной кристаллической решетки приводит колебаниям электрической поляризации. Эти колебания могут индуцироваться светом соответствующей частоты. Взаимодействие света с электронной плазмой позволяет передавать информацию. Это взаимодействие используется в сверхточных микроскопах. Кроме того, благодаря плазмонам можно менять цвет предметов. Цветные стекла в средневековых витражах — тому пример.