экситон

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.

В обычном полупроводнике трудно получить сразу две вещи: сильный магнетизм и крепкую пару из электрона и дырки — квазичастицу, которая рождается при поглощении света. Магнитные примеси, которые делают материал магнитом, одновременно мешают электрону и дырке держаться вместе — они как шумные соседи, которые не дают паре спокойно существовать.

В обычном полупроводнике трудно получить сразу две вещи: сильный магнетизм и крепкую пару из электрона и дырки — квазичастицу, которая рождается при поглощении света. Магнитные примеси, которые делают материал магнитом, одновременно мешают электрону и дырке держаться вместе — они как шумные соседи, которые не дают паре спокойно существовать.

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.

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.

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.

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.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Электронные зоны в кристалле — как струны, каждая со своим тоном. Обычно, если струны настроены просто, без хитрых переплетений, то и звук, рождаемый их совместным движением, остаётся простым. В физике это означает, что топология экситона — связанной пары электрона и дырки — наследуется от топологии электронных зон.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Электронные зоны в кристалле — как струны, каждая со своим тоном. Обычно, если струны настроены просто, без хитрых переплетений, то и звук, рождаемый их совместным движением, остаётся простым. В физике это означает, что топология экситона — связанной пары электрона и дырки — наследуется от топологии электронных зон.

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.

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.

В двумерном кристалле диселенида вольфрама (WSe₂) поглощённый свет порождает пары связанных зарядов — электрон и дырку, удерживаемые кулоновским притяжением. Такие квазичастицы называют экситонами.

В двумерном кристалле диселенида вольфрама (WSe₂) поглощённый свет порождает пары связанных зарядов — электрон и дырку, удерживаемые кулоновским притяжением. Такие квазичастицы называют экситонами.

В оптическом резонаторе — зазоре между двумя зеркалами — мечется луч света. Он отражается, бежит обратно, снова отражается, и так раз за разом. Внутри этого зазора находится плоский слой электронов, способный вращаться под действием магнитного поля.

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.

В первые доли секунды после Большого взрыва Вселенная пережила инфляцию — чудовищно быстрое раздувание, разгладившее все неровности. Но среди этой космической глади могла затеряться одна «неправильная» нота — квантовые колебания поля аксионов.

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.

Представьте зеленый луч, который, проходя через хитроумную оптическую схему, скручивается в трёхмерную воронку света — оптический вихрь. В его сердце, словно в глазу урагана, интенсивность падает до нуля. Именно там фотоны исчезают.

Световая волна похожа на верёвку, которую встряхнули: она колеблется в определённой плоскости. Это свойство — поляризация — рассказывает о форме и составе объектов. Но уловить её непросто, особенно если нужно охватить широкий диапазон цветов. Обычно для этого собирают громоздкие системы из линз и фильтров.

Свет падает на органическую молекулу — и внутри рождается пара близнецов-возбуждений. Их называют триплетными парами. В одиночных молекулах пентацена такие пары давно умеют делиться своей энергией с соседями — это основа синглетного деления, которое повышает КПД солнечных элементов. Но что происходит, когда молекулы выстраиваются в длинные цепочки, как в полипентацене?

Музыканты в оркестре играют каждый свою партию, не слыша других. В идеальном кристалле дисульфида вольфрама на графене экситоны — связанные пары электрон-дырка — ведут себя так же: они почти не смешиваются из-за скрытой симметрии, которую называют долинной.

Свет застревает в кристаллической решётке, но не простой, а вывернутой наизнанку — как пчелиные соты, где вместо воска пустота, а рёбра сделаны из материала. Так устроен обращённый опал — трёхмерный фотонный кристалл, который не пропускает свет определённых цветов.

Свет падает на кристалл и выбивает электрон из его законного места. Остаётся пустота — дырка, которая ведёт себя как положительный заряд. Электрон и дырка притягиваются и кружатся друг вокруг друга, словно пара в медленном танце. Такая пара называется экситоном (от слова «возбуждение»). Но танец этот не в пустоте.

Солнце — кипящий котёл водорода и гелия, где раскалённый газ пойман в магнитные силки. Когда невидимые жгуты пересоединяются, освобождается энергия, сравнимая с миллиардами термоядерных взрывов. Куда она девается?

Обычный фонарик излучает свет симметрично вперёд и назад. Однако в магнитных кристаллах возникает особое квазичастичное возбуждение — аксион, представляющее собой коллективную волну магнитного момента, подобную «волне» на стадионе: атомы последовательно передают друг другу магнитный импульс.

В кристалле нитрида бора идеальная атомная решётка местами нарушена: где-то атома не хватает, где-то его заменяет чужой. Под мощным микроскопом эти крошечные изъяны видны как ловушки для электронов — они захватывают частицы и начинают светиться, а ещё отзываются на магнитное поле.

Передача энергии при фотосинтезе напоминает детскую горку: она прогибается под весом одного ребёнка, изменяя траекторию для следующего.

Маятник старинных часов качается, потому что его регулярно подталкивает механизм на пружине. А теперь вообразите маятник, который сам решает, когда ему качнуться — и делает это с неизменным ритмом, просто от того, что в комнате тепло и немного сквозняка. Именно так ведут себя временны́е кристаллы, рождённые в сгустках света и вещества внутри полупроводникового чипа.

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.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Щепотка соли падает в воду, и ионы натрия с хлором разбегаются в стороны, окружённые молекулами воды. А теперь вместо иона в молекулярную компанию попадает позитрон — античастица, близнец электрона, только с плюсом вместо минуса.

Представьте большой липкий мяч, брошенный на пыльную полку: он отскочит и поднимет облако пыли. Но если его медленно прокатить — он соберёт каждую соринку. Именно так ведут себя ридберговские экситоны — гигантские квазичастицы в кристалле, названные в честь Йоханнеса Ридберга, чьи работы легли в основу понимания высоковозбуждённых состояний.

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.

Синий цвет — самая капризная часть любого экрана. Чтобы получить его, приходится тратить много энергии, а сам свет часто получается блёклым. Химики давно ищут молекулы, которые бы светились глубоким синим ярко и долго. Теперь они придумали новый дизайн на основе европия — редкоземельного металла, который умеет давать чистый синий свет.

Квантовые компьютеры и датчики работают на микроволновых частотах, но передавать их сигналы на большие расстояния удобно по оптоволокну, где используется свет. Чтобы связать эти два мира, нужен посредник — устройство, которое переводит микроволны в оптические фотоны и обратно, не разрушая хрупкую квантовую информацию.

Свет и атомы, как танцоры, могут двигаться в унисон или вразнобой. Когда их взаимодействие анизотропно — то есть зависит от направления, — танец усложняется. В новой работе физики рассмотрели модель, где множество атомов (кубитов) коллективно взаимодействуют с анизотропным полем света, и каждый компонент подключен к тепловому резервуару.

Квантовая точка размером с вирус, зажатая между зеркалами, при короткой вспышке света рождает два фотона. Эти фотоны вылетают парой, и их поляризации — направления колебаний волн — связаны так, что, узнав одну, мгновенно знаешь другую. Такая связь называется запутанностью, и она нужна для квантовой связи и вычислений.

Сверхтонкий кристалл из атомов вольфрама и серы похож на идеальную парковку: все места заняты, всё ровно. Но иногда одного атома не хватает — получается яма-дефект. Если в такую яму попадает экситон (пара из электрона и «дырки», которая переносит энергию света), он может застрять и высветить её иначе, чем в чистом месте.