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深度解讀

超快激光可將半導(dǎo)體上的電子和空穴凝結(jié)

星之球科技 來源:科技日報(bào)2016-11-08 我要評論(0 )   

美國天體物理聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家與德國馬爾堡大學(xué)的理論學(xué)家合作,發(fā)現(xiàn)了一類新的準(zhǔn)粒子:他們利用超快激光,讓半導(dǎo)體內(nèi)部的多個電子和空穴以新的方式排列組合,...

美國天體物理聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家與德國馬爾堡大學(xué)的理論學(xué)家合作,發(fā)現(xiàn)了一類新的準(zhǔn)粒子:他們利用超快激光,讓半導(dǎo)體內(nèi)部的多個電子和空穴以新的方式排列組合,凝結(jié)成類似于液體的“量子液滴”。盡管壽命只有短暫的25皮秒(1皮秒=萬億分之一秒),但“量子液滴”的穩(wěn)定性卻足以用于研究光和物質(zhì)的特定形式如何相互作用。
  
當(dāng)電子在半導(dǎo)體中流過時(shí),在原本的位置留下一個空穴。電子可以與空穴結(jié)合成對,被稱為激子,屬于準(zhǔn)粒子的一種。而新發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)粒子是電子和空穴以非成對的方式排列而成的微觀復(fù)合體。研究人員稱之為“量子液滴”,因?yàn)樗染哂辛孔犹匦裕热缇挥行虻哪芗墸瑫r(shí)也擁有一些液體的特性,比如可以產(chǎn)生漣漪。它不同于我們所熟悉的液體水,因?yàn)?ldquo;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(guān)性就會消失。
  
在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,研究小組向砷化鎵半導(dǎo)體發(fā)射每秒約1億脈沖的超快紅色激光。激光脈沖首先產(chǎn)生的是激子,隨著脈沖強(qiáng)度增加,更多的電子—空穴對被創(chuàng)建出來。但當(dāng)激子的密度達(dá)到一定水平時(shí),原本綁定的電子和空穴就會解散。電子繼而繞空穴形成環(huán)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(fù)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(fā)現(xiàn),4個電子和4個空穴就足以構(gòu)成一滴“液滴”,最多時(shí)“液滴”中的電子和空穴數(shù)量均可以達(dá)到14個。
  
研究人員稱,他們獲得的關(guān)于單個“液滴”能級的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算是吻合的。調(diào)整激光脈沖的量子特性,可以讓能級與“液滴”內(nèi)部粒子的相關(guān)性匹配。“液滴”似乎也足夠穩(wěn)定,有助于未來系統(tǒng)性研究光和物質(zhì)狀態(tài)之間相互作用。而且,準(zhǔn)粒子通常擁有其組成粒子所不具備的獨(dú)特性質(zhì),可以在控制較大的系統(tǒng)和設(shè)備方面發(fā)揮作用。
  
美國天體物理聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家史蒂芬·坎迪夫說:“說到實(shí)際用處,沒人打算去研制一個‘量子液滴’小設(shè)備,但這確實(shí)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(rèn)識。”
  
總編輯圈點(diǎn)
  
近年來,隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高,科學(xué)家們廣泛研究了極端條件下凝聚態(tài)物質(zhì)的各種性質(zhì),發(fā)現(xiàn)了許多新的物理現(xiàn)象,半導(dǎo)體中的電子—空穴液滴就是一個十分誘人的新園地。這種“量子液滴”較之于普通小水滴,可謂滄海一粟。目前看來,這個小東西似乎沒什么實(shí)際用處,離研制“量子液滴”小設(shè)備還有一定的距離。但不可小覷的是,隨著我們對光電子器件相互作用認(rèn)識的不斷深入,保不齊哪天就會有重大的科研成果誕生,帶給我們莫大的驚喜。

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超快激光半導(dǎo)體
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