Эксперимент поставил под сомнение «моногамию» квантовых частиц
Новое экспериментальное исследование показало, что квантовые частицы, считавшиеся образцом верности своим связям, могут кардинально менять поведение в условиях высокой плотности. Работа международной группы учёных опровергает устоявшиеся представления о движении частиц в материалах.
Фундаментальное разделение частиц на фермионы и бозоны определяет структуру материи. Фермионы, такие как электроны, не могут занимать одно и то же квантовое состояние, подчиняясь принципу запрета Паули. Бозоны, напротив, способны собираться вместе. Особый интерес для физиков представляют экситоны — связанные пары электрона и дырки (положительного заряда, оставшегося после ухода электрона). Экситоны ведут себя как бозоны, но образуются из фермионов, что делает их идеальной моделью для изучения взаимодействия этих двух классов частиц.
Считалось, что экситон — это моногамная связь: чтобы разорвать пару, требуется энергия. Учёные из группы профессора Мохаммада Хафези решили проверить, как повлияет на движение экситонов увеличение плотности свободных электронов в системе. Логика подсказывала, что при заполнении почти всех доступных позиций электронами экситоны будут застревать, их подвижность упадёт. Эксперимент дал противоположный результат.
Исследователи создали специальный слоистый материал, где электроны и экситоны могли занимать лишь строго определённые позиции в решётке. При низкой плотности электронов экситоны двигались как обычно. По мере добавления электронов их движение действительно замедлялось, путь становился извилистым. Однако при достижении порога, когда почти каждая позиция была занята электроном, подвижность экситонов резко возросла. Вместо того чтобы остановиться, они начали перемещаться даже эффективнее, чем в менее заполненной системе.
Первой реакцией команды было недоверие к данным. Эксперимент повторяли в разных условиях, на разных образцах и даже в разных странах, но результат подтверждался. Теоретическое объяснение пришло позже. Оказалось, что в условиях экстремально высокой плотности дырка внутри экситона перестаёт быть жёстко связанной со «своим» электроном. Она начинает взаимодействовать со всеми окружающими электронами как с равнозначными партнёрами, постоянно их меняя. Этот процесс исследователи назвали немоногамной диффузией дырок. Благодаря быстрому «переключению» партнёров экситон получает возможность двигаться напрямую сквозь переполненную систему, не петляя вокруг препятствий.
Управлять этим переходом можно простым изменением напряжения, что открывает перспективы для создания новых электронных и оптических устройств, включая технологии на основе экситонов для солнечной энергетики.
Исследование, переворачивающее представления о квантовых взаимодействиях, в журнале Science.