электронно-дырочная пара

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

Возьмём два тонких листа полупроводника. Один пропитан свободными электронами — как переполненное кафе, где каждый столик занят. Второй, наоборот, полон пустых мест — «дырок», которые жаждут заполниться. Когда эти листы сближают, между ними проскакивает искра притяжения: электроны и дырки начинают ощущать друг друга через тонкий зазор.

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

Светоизлучающие материалы на основе органики похожи на оживлённый перекрёсток без светофора. Молекулы получают энергию, но вместо того чтобы честно отдать её светом, часто сворачивают в тупики: образуют тёмные пары (эксиплексы — короткоживущие комплексы без излучения) или сталкиваются друг с другом, теряя заряд.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

С помощью лазерной спектроскопии — метода, который можно сравнить с прослушиванием эха от кристалла: световой импульс возбуждает образец, а отклик рассказывает о внутренней структуре, — физики исследовали слоистый материал.

Ток пропускают через пружинку из органических молекул — и на выходе электроны крутятся почти все в одну сторону. Этот фокус называют хиральной спиновой селективностью, и он долго не давал физикам покоя. В лёгких атомах спин (собственное вращение частицы) слишком слабо связан с движением заряда, чтобы обеспечить почти стопроцентную сортировку.

Многие чёрные дыры окружены магнитными полями. Вращаясь, дыра тянет за собой искривлённое пространство-время, словно маховик станка, и запускает космическую фабрику. Если магнитное поле наклонено к оси вращения, этот «конвейер» работает особенно эффективно: возникает электрическое поле невероятной мощи.

Мост из двух рядов досок прогибается под ногами пешеходов — и каждый шаг получает помощь от упругого движения настила. Похожий принцип лежит в основе сверхпроводимости: электроны скользят без сопротивления, потому что атомная решётка сама подстраивается под них. В материалах на основе никеля эта картина долго не складывалась.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

В тёмной комнате вспыхивает инфракрасный лазер, и кусочек чёрного порошка K3C60 на долю секунды начинает проводить ток без сопротивления. Свет бьёт на частоте 10 терагерц — это в тысячу раз быстрее, чем работает микроволновка. Эффект усиливается в сто раз по сравнению с другими частотами. Почему именно эта частота? Учёные построили компьютерную модель и нашли ответ.

В обычном проводнике электрический ток течёт симметрично: электроны движутся одинаково легко в обоих направлениях, подобно воде в прямой трубе. Однако на границе нормального металла и сверхпроводника эта симметрия исчезает.

В двумерных кристаллах электроны и дырки — квазичастицы, соответствующие отсутствию электрона и несущие положительный заряд, — притягиваются, образуя связанные пары, называемые экситонами. При сильном охлаждении, когда тепловые флуктуации замирают, движения множества экситонов могут синхронизироваться, подобно слаженному танцу.

В кристалле кремния атом фосфора держит лишний электрон на двух очень близких орбитах. Эти орбиты похожи на два соседних этажа в доме, где лестница почти незаметна. Короткий лазерный импульс в среднем инфракрасном диапазоне толкает электрон с нижнего этажа на верхний, и тот начинает качаться между ними, как маятник.

Материал толщиной в один атом и рекордной чистоты — лишь один чужеродный атом на миллион — становится ареной удивительного явления. При охлаждении почти до абсолютного нуля электроны внутри, словно музыканты оркестра, замирают в строгом порядке, образуя электронный кристалл — состояние, предсказанное Юджином Вигнером почти век назад и потому называемое…

Танцоры держатся за руки и движутся в идеальной синхронности. В экситонном изоляторе электроны и дырки образуют связанные пары, которые конденсируются в единое квантовое состояние — как партнёры в танце, которые не сбиваются ни на шаг. Но что происходит, если один из них спотыкается?

Лазер на кристалле ниобата лития оживает от тока в 40 миллиампер. Его свет делится на два ручейка, каждый проходит через шестимиллиметровый волновод, и там рождаются пары фотонов-близнецов. Один ручеёк поворачивает поляризацию своих близнецов, после чего оба потока сливаются в общее русло. На выходе — квантовая фабрика на ладони: 45 миллиардов запутанных пар в секунду при мощности всего 18.