Ett internationellt samarbete som involverar europeiska, Israeliska, och amerikanska forskare inser för första gången starka och riktningsberoende interaktioner i kvantvätskor av excitoner, som står i kontrast med den rumsliga isotropin för kopplingen mellan laddade partiklar. Denna rumsliga anisotropi påverkar hur partiklar ordnar sig i rymden och öppnar vägar till artificiellt skapade exotiska tillstånd av materia. Resultaten publicerades i Fysisk granskning X .

"En fjäderfågel flockas ihop":detta gamla ordspråk kan gälla flera livsomständigheter men det gäller verkligen inte elektriska laddningar:laddningar av samma polaritet stöter alltid bort varandra, medan endast laddningar av motsatt polaritet lockar. En konsekvens av attraktionen mellan olika laddningar är bildandet av excitoner (elektronhålspar) i halvledare. Sådana par negativt laddade elektroner och positivt laddade hål kan skapas via absorptionen av ljuskvanta (fotoner). Excitoner är så kallade kvasipartiklar som härrör från bindning av en elektron och ett hål genom den attraktiva elektrostatiska coulomb-interaktionen mellan dem. Excitoner är mobila men inte stabila eftersom elektronerna och hålen snabbt kan rekombineras, vilket leder till utsläpp av en foton. Långlivade excitoner kan, dock, skapas i speciella halvledar -tvåskikt bestående av två kvantbrunnar med nära avstånd åtskilda av en tunn potentialbarriär (se figur). Om en förspänning appliceras på strukturen kommer elektronerna och hålen som bildar excitonen att lagras i separata kvantbrunnar:denna laddningsseparation ökar rekombinationens livslängd avsevärt. Dessa långlivade excitoner förvärvar ett dipolmoment p och är därmed kända som dipolära (eller indirekta) excitoner.

Excitonerna såväl som dipolära excitoner är neutrala partiklar utåt och frågan uppstår hur dipolära excitoner interagerar med varandra. Svaret kan hittas genom att betrakta dem som inriktade dipoler. I motsats till den elektrostatiska coulomb -interaktionen mellan två laddningar, som bara beror på avståndet mellan dem, interaktionen mellan två dipoler beror både på den relativa orienteringen mellan deras dipoler och vektorn som förbinder dem. För inriktade dipoler som de dipolära excitonerna i figuren, interaktionen ändras från frånstötande till attraktiv eftersom vinkeln mellan dem ökar från 0 till 90 grader.

Experiment på dipolära excitoner som hittills genomförts använde excitoner i ett enda tvåskikt, där man bara kan sondera den avstötande komponenten i den dipolära interaktionen. Nu ett internationellt team av forskare från Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik i Berlin, hebreiska universitetet i Jerusalem, Institute of Science and Technology Austria och University of Princeton hittade ett smart sätt att övervinna utmaningarna genom att stapla två dipolära lager, som illustreras i figuren:på detta sätt, de kunde för första gången visa den attraktiva dipoldipolkomponenten i kopplingen mellan partiklarna, med överraskande resultat. De visar att närvaron av dipolära excitoner i en av tvåskikten inducerar en ackumulering av dipolära excitoner i det andra tvåskiktet. Det senare bevisar att det gamla ordspråket även under lämpliga förhållanden gäller dipolära excitoner.

Nyligen, dipolära kvantgaser och vätskor väckte stor uppmärksamhet, eftersom de är värd för en uppsjö av exotiska fenomen med många partiklar med ursprung i den långsiktiga och anisotropa karaktären av dipol-dipol-interaktionerna. Dipolära faser av materia har hittills mest studerats i samband med ultrakylda gaser av polära molekyler och magnetiska atomer:ett bra exempel är den nyligen observerade supersoliditeten - kristaller där atomerna flödar utan friktion. Sådana ensemble med låg densitet, dock, göra det utmanande att uppnå regimen för starka interpartikelinteraktioner, där det mesta av den exotiska fysiken utspelar sig.

Den starka attraktiva mellanskikts attraktiva kopplingen som nu visas av Hubert et al. gör undersökningen av dessa fenomen i ett solid-state system av dipolära vätskor möjlig. Särskilt, den kan undersöka dipolära densiteter och interaktionsstyrkor som för närvarande inte är tillgängliga i atomförverklingar, som förväntas avslöja nya kollektiva effekter och faser. Ett exempel är den större än förväntade ömsesidiga drag- och bindningsenergierna mellan dipolära partiklar som detekteras i exciton -experimenten. Denna överraskande effekt tillskrivs uppkomsten av elektroakustiska vågor eller polaroner i de två vätskorna, medieras av de avlägsna dipol-dipol-interaktionerna. När vätsketätheten ökar, polaronenergin förändras avsevärt, möjligen representerar fasgränsen mellan gas- och flytande tillstånd. Detta slående fenomen är en bra motivation för framtida experiment som försöker förverkliga de exotiska många kroppsfaserna med anisotropa interaktioner mellan starkt korrelerade kvantsystem.