Les contraires s'attirent. Ce principe mondain concernant les relations entre les personnes ne correspond pas toujours à la réalité. Mais en physique, tout est comme on dit: les charges électriques opposées, par exemple, attirent toujours, et les similaires se repoussent. Ce principe est aussi vieux que le monde lui-même, mais il peut également être soumis à certaines modifications si d'autres lois et phénomènes physiques sont appliqués. Un groupe de scientifiques de l'Université de Southampton (Royaume-Uni) a mené une étude dans laquelle ils ont réussi à créer un nouveau type de matériau appelé exciton lié aux photons. Le plus savoureux est que les photons sont devenus un lien de connexion entre des électrons chargés négativement, qui, selon la logique, auraient dû être repoussés. Comment exactement les photons ont-ils été utilisés, quelles sont les caractéristiques de l'atome inventé,et dans quels domaines ce développement peut-il être utilisé? Nous apprenons cela dans le rapport des scientifiques. Aller.
Base de recherche
Comme nous l'avons déjà rappelé, des charges similaires (c'est-à-dire identiques: ++ ou - -) devraient se repousser, et des charges opposées (c'est-à-dire opposées: + - / - +) devraient s'attirer. Cependant, l'image de cette interaction change si vous ajoutez une pincée de photons, c.-à-d. particules de lumière. Dans ce cas, l'influence de l'effet photoélectrique est ajoutée - l'interaction de la lumière et de la matière, lorsque l'énergie des photons est transférée à la matière.
Dans ce travail, les scientifiques ont créé un nanodispositif qui capture les électrons dans des puits quantiques à l' échelle nanométrique *... Si les photons apportent beaucoup d'énergie dans l'appareil, cela conduit à la sortie d'électrons du puits. En plaçant cet appareil entre deux miroirs en or, les photons peuvent être piégés. Pour cette raison, l'énergie des photons sera concentrée sur les électrons, améliorant l'interaction entre la lumière et la matière. L'ajout de miroirs a fait en sorte que les électrons chargés négativement restent dans le puits (sans miroirs, les photons les ont expulsés du puits) et ont commencé à se lier les uns aux autres.
Le puits quantique * est un puits potentiel qui limite la mobilité des particules de trois à deux dimensions (c'est-à-dire que les particules commencent à se déplacer dans une couche plate).Le rôle le plus important dans la performance de l'ensemble du système est naturellement joué par les puits quantiques décrits ci-dessus (QW du puits quantique ). Il y a plusieurs raisons à cela, disent les scientifiques.
Premièrement, QW vous permet d'obtenir une plus grande force de la connexion entre la lumière et la matière, qui peut être régulée en modifiant la densité électronique * en QW.
Densité électronique * - en mécanique quantique, mesure de la probabilité qu'un électron occupe un élément infiniment petit de l'espace entourant un point conventionnel.Deuxièmement, les puits quantiques peuvent être rendus suffisamment étroits pour obtenir une sous-bande électronique localisée, qui n'aura pas de transitions entre sous-bandes.
Troisièmement, dans un tel système, l'interaction de Coulomb ne crée pas d'états liés.
Des deux derniers points, il s'ensuit que les puits quantiques purs sans résonateur photonique environnant ne représentent pas du tout de résonance discrète, mais seulement une bande d'absorption continue à des fréquences dépassant le seuil d'ionisation.
L'absence d'interaction coulombienne est justifiée par la dispersion quasi-parallèle des deux sous-bandes d'électrons, ce qui conduit à une interaction électrons-trou répulsive * .
Interaction électron-trou * (interaction pn) - la zone de contact de deux particules avec différents types de conductivité - trou (p de positif - positif) et électronique (n de négatif - négatif).Ceci est très différent des cas de transitions interbandes à des longueurs d'onde plus courtes, où l'interaction électron-trou est attractive et conduit à la création de résonances étroites en dehors du continuum électron-trou en l'absence d'effets de polariton.
Ainsi, la formation de polaritons * peut modifier les résonances existantes, mais ne conduit pas à la création de nouvelles résonances d'électrons localisées.
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- la sous-bande d'électrons initialement remplie a une masse efficace positive, et la cartographie électron-trou conduit à un trou chargé positivement avec une masse efficace négative.
Les images ci-dessus sont un schéma du phénomène ci-dessus. Dans le cas de transitions interbandes dans des puits quantiques non dopés, les électrons participant à la transition occupent initialement la bande de valence avec une masse effective négative. Cependant, dans le cas de transitions inter-sous-bandes dans des puits quantiques dopés, le même rôle est joué par la première sous-bande de conduction partiellement remplie, qui a une masse effective positive * . Dans la cartographie conventionnelle électron-trou, il en résulte un trou chargé positivement avec une masse effective négative.
* — , .La masse effective d'électrons dans la sous-bande excitée m 2 dans les puits quantiques de GaAs est supérieure à la masse dans la première sous-bande m 1 . Cela conduit à une masse réduite négativement de la paire électron-trou intersubband m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
En présence de tout potentiel attractif de deux corps, la masse négative conduit à une interaction électrons-trou répulsive qui, à son tour, ne peut pas créer d'états liés.
Pour la confirmation pratique de la présence d'états liés à médiation photonique, un système a été créé composé de 13 puits quantiques GaAs / AlGaAs intégrés dans des résonateurs à microcavité en or à réseau étroit.
Image n ° 2: schéma du montage expérimental. 2a - répartition de la composante de champ électrique orthogonale aux couches métalliques pendant une période (D) de la structure et pour le mode TM02 du résonateur à ruban; 2b - microscopie d'un ensemble d'échantillons; 2c - montage expérimental utilisé pour les mesures de réflectance (un microscope infrarouge moyen connecté à un spectroscope FTIR.
Les résonateurs sont des rubans unidimensionnels, et le champ électromagnétique (diagramme 2a ) est presque entièrement contenu sous les broches métalliques.
Les dimensions des puits quantiques étaient suffisamment minces pour n'avoir qu'une seule sous-bande de conduction piégée, car la présence de la seconde sous-bande conduirait à la création de polaritons inter-sous-bandes.
S'il y avait deux sous-zones, la présence d'une transition liaison-liaison conduirait à une saturation de la force de l'oscillateur disponible, ce qui conduirait à la suppression de la transition liaison-continuum, qui devrait être étudiée dans ce test.
Pour vérifier ce paramètre important, deux échantillons HM4229 et HM4230 ont été fabriqués, différant par la largeur du puits quantique et le dopage. L'échantillon HM4229 contenait des puits quantiques de GaAs de 4 nm d'épaisseur (avec une largeur L QW = 4 nm), dont chacun était dopé avec une densité de 5 x 10 12 cm -2 . Et l'échantillon HM4230 contenait des puits quantiques (L QW= 3,5 nm) dopé à 4,77 x 10 12 cm -2 .
Image n ° 3: nature de couplage-continuum de la transition optique en QW pur sans résonateur photonique environnant. 3 - mesure de la transmission à 300 K pour des échantillons avec QW de largeur différente L QW ; 3b - 3e sont des schémas de transitions liaison-liaison ( 3b et 3c ) et liaison-continuum ( 3d et 3e ) dans des puits quantiques dopés.
-* — , , , () , .Les diagrammes 3b - 3f montrent que les transitions de différents types (liaison-liaison et liaison-continuum) dans différents états à une seule particule du potentiel QW subissent des décalages de fréquence opposés avec L QW décroissante : les premiers ont un décalage vers le bleu * , les seconds un décalage vers le rouge * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
Le décalage bleu * est un phénomène lorsque la longueur d'onde du rayonnement diminue et la fréquence augmente.Cela a permis d'évaluer la nature de la transition optique en analysant le spectre de transmission de deux échantillons avant d'utiliser de l'or ( 3a ).
Redshift * - un phénomène où la longueur d'onde du rayonnement augmente (la lumière devient plus rouge, par exemple), et la fréquence et l'énergie diminuent.
Il y a ici une absorption très large, qui (étant une polarisation magnétique transversale) est associée à des puits quantiques dopés. Une région plus étroite d'environ 140 meV est également observée, qui est le bord du continuum. Les scientifiques notent que cette fonction ne conduit pas à un décalage vers le bleu avec une L QW décroissante , mais montre le transfert du poids spectral vers la partie rouge du spectre. La transition liaison-liaison conduirait alors à un décalage vers le bleu de l'ordre de dizaines de millielectronvolts, prouvant la nature liée au continuum des transitions dans les QW purs.
Comme mentionné précédemment, tous les échantillons ont été fabriqués dans un réseau métal-semiconducteur-métal et des broches métalliques de largeur p ( 2a et 2b ). Le champ électromagnétique étant extrêmement localisé sous les doigts métalliques, le système se comporte essentiellement comme un résonateur Fabry-Pérot * .
Fabry - Résonateur Pérot * - un résonateur optique dans lequel des miroirs parallèles sont dirigés l'un vers l'autre. Une onde optique stationnaire résonnante peut se former entre ces miroirs.Plusieurs appareils ont été fabriqués à base de réseaux d'une surface de 200 x 200 μm avec un pas dans la plage de 800 nm à 5 μm, ce qui permet de couvrir une large plage de fréquences ( 2b ). Les données de réflectance ont été obtenues pour chaque appareil à 78 K en utilisant un spectroscope FTIR équipé d'un cryostat très compact ( 2c ).
Image # 4: Données de réflectivité expérimentales. 4 - données sur la réflectivité de l'échantillon dopé HM4229 en fonction de la fréquence du résonateur; 4b - données de réflectance pour HM4229 (rouge) et un résonateur pur (vert) pour les fréquences ω = 157,8 meV (traits pleins), ℏω = 147 meV (lignes pointillées) et ℏω c = 141,5 meV (lignes pointillées ); 4c - largeur de ligne pour diverses vibrations en fonction de l'énergie vibratoire.
Les résultats de cette analyse sont présentés dans les graphiques ci-dessus. La figure 4a montre une carte de la réflectance de l'échantillon HM4229 à 78 K en fonction de la fréquence du résonateur pur. Si un continuum d'absorption est observé au-dessus du seuil d'ionisation (indiqué par la ligne pointillée horizontale noire), alors une résonance de polariton étroite apparaît en dessous. Il est décalé vers le rouge de plus de 20 meV par rapport à un résonateur pur.
Les fréquences de crête ont été tracées sur une carte de couleurs en utilisant plusieurs ajustements de données de Lorentz. Les triangles rouges et les carrés bleus représentent respectivement les fréquences inférieures et supérieures au seuil d'ionisation identifié. A titre de comparaison, des cercles verts indiquent la fréquence d'un résonateur pur mesuré sur un échantillon non dopé.
En dessous du seuil d'ionisation, la durée de vie d'un mode polariton discret est principalement limitée par la durée de vie de la cavité. Au-dessus, il y a un spectre de communication-continuum, dans lequel seules des caractéristiques très étendues et vagues peuvent être identifiées.
La comparaison des spectres d'échantillons dopés et non dopés a montré qu'une résonance discrète se produit dans l'échantillon dopé au-dessous du bord du continuum, tandis que dans un échantillon identique mais non lié électromagnétiquement, elle est absente.
Un état discret hybride similaire peut être décrit comme un polariton, dont la densité électronique par rapport à l'état fondamental est:
∆N (z) = P [| Ψ e (z) | 2 - | Ψ g (z) | 2 ]où P (dans la gamme 0 ... 1) est le poids du composant polariton de la matière; Ψ g (z) est la fonction d'onde normalisée d'un électron dans son état fondamental; Ψ e (z) est la fonction d'onde d'un état électronique localisé généré par l'interaction de la lumière et de la matière.
Image n ° 5: calculs P. 5 - modes propres obtenus à l'aide d'un modèle théorique avec des paramètres sélectionnés pour correspondre aux données de réflectance expérimentales sur la carte des couleurs; 5b sont des paramètres extraits de 5a qui sont utilisés pour calculer P pour le mode polariton discret.
À 5hle résultat de l'utilisation du modèle théorique pour modéliser le spectre de réflectance observé et le comparer avec les données expérimentales est affiché visuellement. Ces paramètres ont permis le calcul de P ( 5b ).
Il résulte de ce modèle que la résonance discrète en dessous du seuil d'ionisation est clairement définie pour des valeurs non nulles de P, démontrant un remplissage significatif de la fonction d'onde électronique Ψ e (z) générée par la lumière .
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et des éléments supplémentaires .
Épilogue
Cette expérience a permis de démontrer la possibilité de coupler une transition ionisante avec un résonateur photonique, ce qui conduit à une modification non perturbatrice de la structure électronique du système.
Le résultat est une excitation de polariton hybride, dont le composant matériel est un état lié généré par l'interaction de la lumière et de la matière, constitué d'un électron et d'un trou, maintenus ensemble en raison de leur interaction avec un champ électromagnétique transverse.
Selon les scientifiques, la capacité à régler les propriétés d'un matériau en raison de la connexion avec le champ de photons d'une microcavité est une direction extrêmement prometteuse.
Dans ce travail, ils ont pu créer un dispositif, limité sur deux côtés par des miroirs dorés, qui capturait des photons et focalisait l'énergie lumineuse sur des électrons, ce qui renforçait considérablement la connexion entre la lumière et la matière. Au cours d'expériences, on a remarqué qu'un électron chargé négativement éjecté par un photon reste piégé dans un puits quantique, associé à d'autres électrons chargés négativement. De plus, cette configuration reste stable grâce à l'action des photons.
En d'autres termes, cette étude montre la possibilité de créer des atomes artificiels d'un nouveau type, dont les configurations électroniques peuvent être personnalisées à volonté.
La photonique est une branche assez jeune de la science, mais en même temps, son influence augmente chaque année, grâce à ce type de recherche. La lumière, comme beaucoup d'autres phénomènes, peut être comparée au chat de Schrödinger: d'une part, tout est clair et évident, mais si vous creusez plus profondément, une simple vérité devient évidente - peu importe le nombre de réponses qu'une personne reçoit, il y aura toujours plus de questions. Néanmoins, dans la recherche de réponses aux questions, du moins en science, ce n'est pas tant la réponse elle-même qui importe que le chemin qui y mène.
Merci pour votre attention, restez curieux et passez une bonne semaine de travail, les gars. :)
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