Фотоны связали электроны и дырки в полупроводнике

Физикам удалось экспериментально обнаружить нехарактерные для легированных полупроводников резонансы при воздействии излучением на образцы в оптических резонаторах. Ранее исследователи предсказали подобный эффект, который возникает из-за слияния электрона и дырки в связанное состояние (экситон) за счет воздействия на них фотонами. В будущем этот эффект может позволить точно подстраивать оптоэлектронные свойства полупроводников без изменения их внутренней структуры и даже расширить границы высокотемпературной сверхпроводимости. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

С улучшением качества и возможностей современных резонаторов все больше применений находит так называемый эффект сильной связи излучения и материи — явление резонанса между электромагнитными волнами и элементарными возбуждениями среды. В роли последних могут выступать фононы, плазмоны, магноны и другие квазичастицы, рождающиеся в твердом теле и на его поверхности. Продуктом такого резонанса является поляритон — составная квазичастица, энергия которой состоит как из электромагнитной энергии фотона, так и из энергии собственных возбуждений среды.

Когда связь излучения и материи настолько сильна, что объединяет в поляритон сразу несколько собственных резонансов среды, теория предсказывает возможность использования этого явления для изменения волновых функций возбужденных состояний материи и даже для спаривания несвязанных частиц и квазичастиц. В полупроводниках же подобный эффект может приводить к появлению связанных состояний электронов до ионизационного порога — экситонов.

Экситон — это квазичастица, которая обычно описывает электронное возбуждение в веществе, и представляет собой связанное состояние электрона и дырки, притягивающихся друг к другу за счет электростатического взаимодействия. В собственных полупроводниках ничто не препятствует формированию экситонов, и последние отвечают за дополнительный резонанс с энергией меньше ширины запрещенной зоны. В легированных полупроводниках, в свою очередь, эффективная масса дырок отрицательна, из-за чего эта квазичастица отталкивается от электрона и не спаривается с ним в экситон без внешнего воздействия.

Именно на легированный полупроводник и воздействовали излучением в своей работе Эрика Кортезе (Erika Cortese) из Саутгемптонского университета и Нгок-Линь Тран (Ngoc-Linh Tran) из университета Парижа-Сакле. Авторы хотели проверить теоретические предсказания о возможности спаривания отталкивающихся электрона и дырки в связанное состояние за счет эффекта сильной связи излучения и материи. Для этого исследователи соорудили образцы, в которых полупроводники из арсенида галия были встроены в решетчатые емкостные резонаторы из золота. Размер формирующих квантовые щели полупроводниковых слоев был выбран так, чтобы электроны обладали в них лишь одним связанным состоянием. Иначе формирующиеся в эксперименте поляритоны включали в себя состояния из сразу нескольких разрешенных полос, что сильно усложнило бы наблюдения.

На охлажденный до 78 кельвин образец физики воздействовали сфокусированным пучком поляризованного излучения и наблюдали за его рассеянием, определяя коэффициент отражения образца в разных диапазонах энергии. Резонансную частоту образца, с которой излучение и воздействовало на полупроводник, физики варьировали за счет изменения размеров емкостных резонаторов. Для сравнения полученных данных, авторы проводили измерения как для легированного полупроводника, так и для полупроводника с собственной проводимостью.

В результате ученым удалось зарегистрировать резонанс в легированном полупроводнике, который расположен ниже ионизационного порога и смещен на 20 электронвольт относительно нелегированного образца. Тем самым физики подтвердили, что под действием внешнего электромагнитного поля в полупроводнике сформировалось связанное состояние. Схожесть наблюдаемого резонанса с предсказаниями моделирования спаривания в таких условиях электрона и дырки показало, что исследователи пронаблюдали именно формирование экситона за счет эффекта сильной связи излучения и материи.

Авторы отмечают, что провели исключительно оптические исследования явления, а логическим продолжением работы должно стать изучение способности формирующихся экситонов переносить заряд. Если эти связанные состояния правда могут участвовать в токе, то подобные образцы можно будет использовать в качестве крайне эффективных источников инфракрасного излучения. Кроме того, продемонстрированное физиками «дистанционное управление» формированием экситонов с помощью излучения может в будущем стать новым инструментов для создания управляемых квантовых материалов. Наконец, существуют теории, что подобное связывание электронов в сверхпроводниках может привести к увеличению их критической температуры. Поэтому, несмотря на большие отличия в природе куперовских пар и экситонов, подобные исследования могут приблизить ученых к еще более высокотемпературной сверхпроводимости.

Ранее физики уже

экситоны в двухслойном графене с помощью фототоковой спектроскопии,

бозе-конденсат из этих квазичастиц в полуметалле, а также

на их основе топологический изолятор.

Никита Козырев