超快激光可在半導體上激起“量子液滴”

以下效果圖顯示了顯微鏡下超快紅色激光脈沖在砷化鎵半導體上激起的＂量子液滴＂。每滴＂液滴＂中的電子和空穴以液態模式環狀排列，其周圍則是等離子體。

美國天體物理聯合研究實驗室的物理學家與德國馬爾堡大學的理論學家合作，發現了一類新的準粒子:他們利用超快激光，讓半導體內部的多個電子和空穴以新的方式排列組合，凝結成類似于液體的“量子液滴”。盡管壽命只有短暫的25 ps，但“量子液滴”的穩定性卻足以用于研究光和物質的特定形式如何相互作用。相關實驗細節近日發表在《自然》雜志上。

當電子在半導體中流過時，在原本的位置留下一個空穴。電子可以與空穴結合成對，被稱為激子，屬于準粒子的一種。而新發現的準粒子是電子和空穴以非成對的方式排列而成的微觀復合體。研究人員稱之為“量子液滴”，因為它既具有量子特性，比如井然有序的能級，同時也擁有一些液體的特性，比如可以產生漣漪。它不同于我們所熟悉的液體水，因為“量子液滴”的大小非常有限，超過這一限度后，電子和空穴之間的這種相關性就會消失。

在這項實驗中，研究小組向砷化鎵半導體發射每秒約1億脈沖的超快紅色激光。激光脈沖首先產生的是激子，隨著脈沖強度增加，更多的電子-空穴對被創建出來。但當激子的密度達到一定水平時，原本綁定的電子和空穴就會解散。電子繼而繞空穴形成環形波，就像液體中原子的排列一樣。在周圍等離子體的壓力下，帶負電的電子和帶正電的空穴被“擠壓”成為呈中性的“液滴”。研究人員發現，4個電子和4個空穴就足以構成一滴“液滴”，最多時“液滴”中的電子和空穴數量均可以達到14個。

研究人員稱，他們獲得的關于單個“液滴”能級的實驗數據與理論計算是吻合的。調整激光脈沖的量子特性，可以讓能級與“液滴”內部粒子的相關性匹配。“液滴”似乎也足夠穩定，有助于未來系統性研究光和物質狀態之間相互作用。而且，準粒子通常擁有其組成粒子所不具備的獨特性質，可以在控制較大的系統和設備方面發揮作用。

美國天體物理聯合研究實驗室的物理學家史蒂芬·坎迪夫說:“說到實際用處，沒人打算去研制一個‘量子液滴’小設備，但這確實可以間接地加深我們對電子在不同的情況下，包括在光電子器件中如何相互作用的認識。”