Elektroner i ett fast ämne kan samverka för att bilda så kallade kvasipartiklar, som leder till nya fenomen. Fysiker vid ETH i Zürich har nu studerat tidigare oidentifierade kvasipartiklar i en ny klass med atomtunna halvledare. Forskarna använder sina resultat för att korrigera en rådande misstolkning.

Om man försöker förstå väderfenomen, det är inte mycket nytta att titta på beteendet hos enstaka vattendroppar eller luftmolekyler. Istället, meteorologer (och även lekmän) talar om moln, vind och nederbörd - föremål som härrör från det komplexa samspelet mellan små partiklar. Fysiker som hanterar de optiska egenskaperna eller konduktiviteten hos fasta ämnen använder ungefär samma tillvägagångssätt. På nytt, små partiklar - elektroner och atomer - är ansvariga för en mängd fenomen, men en upplysande bild kommer bara fram när många av dem är grupperade i "kvasipartiklar".

Dock, att ta reda på exakt vilka kvasipartiklar som uppstår inuti ett material och hur de påverkar varandra är inte en enkel uppgift, men mer lik ett stort pussel vars bitar passar ihop, steg för steg, genom mödosam forskning. I en kombination av experimentella och teoretiska studier, Ataç Imamoglu och hans medarbetare vid Institute for Quantum Electronics vid ETH i Zürich har nu lyckats hitta en ny pusselbit, vilket också hjälper till att placera en tidigare felplacerad bit i rätt läge.

Excitoner och polaroner

I fasta ämnen kan kvasipartiklar skapas, till exempel, när en foton absorberas. Rörelseenergin hos elektroner som vrimlar omkring i ett fast ämne kan bara ta värden inom väldefinierade intervall som kallas band. En foton kan främja en elektron från ett lågt till ett högt liggande energiband, lämnar därmed ett "hål" i det nedre bandet.

Den upphetsade elektronen och det resulterande hålet lockar varandra genom den elektrostatiska Coulombkraften, och om den attraktionen är stark nog, elektronhålsparet kan ses som en kvasipartikel - en "exciton" föds. Två elektroner och ett hål kan binda ihop till en trion. När excitoner och ett stort antal fria elektroner samtidigt är närvarande, beskrivningen av materialets kvalitativt nya - eller "framväxande" egenskaper kräver introduktion av ny typ av kvasipartiklar som kallas Fermi polarons.

Kvaspartiklar i en halvledare

Imamoglu och hans kollegor ville ta reda på karaktären hos kvasipartiklar som förekommer i en viss typ av halvledare där elektroner bara kan röra sig i två dimensioner. Att göra så, de tog ett enda lager molybden -diselenid som är tusen gånger tunnare än en mikrometer och klämde in det mellan två skivor av bornitrid. De tillsatte sedan ett lager grafen för att applicera en elektrisk spänning med vilken elektronens densitet i materialet kunde kontrolleras. Till sist, allt placerades mellan två speglar som bildade ett optiskt hålrum.

Med denna komplexa experimentella uppläggning kunde fysikerna i Zürich nu i detalj studera hur starkt materialet absorberar ljus under olika förhållanden. De fann att när halvledarstrukturen är optiskt upphetsad, Fermipolaroner bildas - och inte, som tidigare trott, excitoner eller trioner. "Än så länge, forskare - inklusive jag själv - har misstolkat de uppgifter som var tillgängliga då i det avseendet ", medger Imamoglu. "Med våra nya experiment kan vi nu rätta till den bilden."

Lagarbete med en gästforskare

"Detta var ett lagarbete med viktiga bidrag från Harvard -professor Eugene Demler, som samarbetade med oss ​​under flera månader när han var ITS -kollega ", säger Meinrad Sidler som är doktorand i Imamoglus -gruppen. Sedan 2013 har Institute for Theoretical Studies (ITS) inom ETH försökt främja tvärvetenskaplig forskning vid skärningspunkten mellan matematik, teoretisk fysik och datavetenskap. Särskilt, den vill underlätta nyfikenhetsdriven forskning i syfte att hitta de bästa idéerna på oväntade platser.

Studien av Imamoglu och hans kollegor, nu publicerad i Naturfysik , är ett bra exempel på hur denna princip kan bli framgångsrik. I sin egen forskning, Eugene Demler behandlar ultrakylda atomer, studera hur blandningar av bosoniska och fermioniska atomer beter sig. "Hans insikt om polaroner i atomgaser och fasta ämnen har gett vår forskning viktiga och intressanta impulser, som vi kanske inte har kommit fram till på egen hand ", säger Imamoglu.

Ljusinducerad supraledning

De insikter de har samlat kommer sannolikt att hålla Imamoglu och hans medarbetare upptagna en tid framöver, eftersom interaktionerna mellan bosoniska (såsom excitoner) och fermioniska (elektron) partiklar är föremål för ett stort forskningsprojekt för vilket Imamoglu vann ett Advanced Grant från European Research Council (ERC) förra året, och stöds också av National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT). En bättre förståelse av sådana blandningar skulle ha viktiga konsekvenser för grundforskning, men spännande applikationer lockar också. Till exempel, ett viktigt mål för ERC -projektet är demonstration av kontroll av supraledning med hjälp av lasrar.