Тёмные экситоны: квантовый ручеёк в чипе экспресс
В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу. Именно эти долгожители, как выяснили авторы, способны выстроиться в единый ритм и потечь слаженной квантовой волной.
Переход к общему ритму — конденсация — здесь не похож на замерзание воды в лёд. Система постоянно подкачивается светом и теряет частицы, и решающим становится баланс прибыли и убыли. Тёмные экситоны, благодаря своей долгой жизни, «перекрикивают» более быстрых светлых собратьев и захватывают главный голос. Когда их становится много, они начинают влиять на спины атомных ядер в кристалле — словно дирижёр, который взмахом палочки заставляет весь оркестр ядер повернуться в одну сторону. Этот эффект, названный поляризацией ядер, распространяется далеко за пределы освещённого пятна и проявляется в виде памяти системы: её состояние зависит от предыстории.
Ярчайший признак слаженности — интерференция. Поток экситонов добегает до края образца, отражается и накладывается на волну, идущую от центра. Возникает рябь — чередование ярких и тёмных полос в свечении, по которой можно измерить длину когерентности, то есть расстояние, на котором частицы «помнят» общую фазу. В эксперименте эта рябь видна на миллиметровых масштабах — огромное расстояние для мира квантов.
Так тёмные экситоны становятся мостом между двумя мирами: с одной стороны, они похожи на поляритонные конденсаты, где свет и вещество смешаны, а с другой — на более плотные экситонные системы. И в отличие от поляритонов, ими можно управлять электрическим полем, просто прикладывая напряжение к чипу. Это обещает компактные устройства для квантовой обработки сигналов, где информация переносится не электронами поодиночке, а целой когерентной волной.
Время жизни тёмного экситона в этом эксперименте достигало микросекунд — для квантовых частиц это целая вечность. За это время свет успевает пройти 300 метров в вакууме, а экситон всё ещё не распался.
Идея квантовой жидкости, управляемой напряжением, напоминает «жидкий свет» из романа Грега Бира «Город в конце времён», где информация течёт по кристаллическим решёткам, как вода по трубам.