Кристалл оксида меди выглядит как тёмно-красный камешек. Но когда в него попадает короткий лазерный импульс, внутри рождаются пары: электрон и «дырка» — место, где электрона не хватает. Такая пара называется экситоном и ведёт себя почти как атом водорода: частицы кружатся друг вокруг друга, связанные электрическим притяжением.

Учёные из Германии и России направили на кристалл лазер с пиковой мощностью до 10 гигаватт на квадратный сантиметр — это как сфокусировать свет тысячи лампочек на кончике иглы. Лазер заставлял экситоны испускать свет на удвоенной частоте — этот нелинейно-оптический эффект называется генерацией второй гармоники. При слабой накачке сигнал рос пропорционально квадрату мощности, как и положено для независимых частиц. Но при усилении накачки рост замедлялся, а затем сигнал начинал падать. Линии в спектре сдвигались в сторону меньших энергий и расширялись.

Причина — в тесноте. Когда экситонов становится слишком много, они начинают чувствовать друг друга. Как гости в переполненной комнате: каждый хочет занять своё место, но соседи мешают. Для экситонов это означает, что два возбуждения не могут находиться слишком близко — возникает так называемая ридберговская блокада. Она и ограничивает число экситонов, способных участвовать в генерации света.

Измерения поглощения на двух фотонах позволили оценить силу взаимодействия между экситонами. Она оказалась того же порядка, что предсказывает теория для атомов, но зависимость от главного квантового числа (номера «орбиты») совсем другая. Это значит, что экситоны в кристалле — не просто уменьшенные копии атомов. У них свои правила.

Проверка показала, что лишние носители заряда, созданные трёхфотонным поглощением, не объясняют наблюдаемую картину. Значит, дело именно в особенностях экситон-экситонного взаимодействия. Понимание этих отличий поможет создавать оптические переключатели и источники света, работающие на экситонах, — компактные и быстрые, как сам свет.