
新发现的液滴中电子孔位置的概率的图像。电子位于峰的中心,高度表示孔位置的概率。图片来源:Cundiff Group和Brad Baxley,Jila
曾经有一段时间的物质状态很简单:固体,液体,气体。然后是等离子体,玻色 - 恩斯坦冷凝物,超临界流体等。现在,该清单又增长了一个,随着新的状态被发现称为“液滴”,与液体有些相似,但发生在截然不同的情况下。
这一发现发生在科罗拉多大学实验室天体物理学联合研究所的一支团队将激光灯光集中在砷耐加仑(GAAS)上以创建激子。
当光子撞击材料,尤其是半导体时,会形成激子。如果将电子被敲打或激发,则将所谓的“电子孔”留在后面。如果附近其他电荷的力使电子足够接近孔以感受到吸引力,则形成了一种被称为激子的结合状态。激子被称为准颗粒,因为电子和孔的表现就像它们是单个粒子一样。
如果所有这些听起来都很难与之相关,请考虑太阳能电池是半导体,而造型子的形成是产生电力的一步。更好地了解激子的形成和行为如何产生更有效地收获阳光的方法。
研究生安德鲁·阿尔曼德·亨特(Andrew Almand-Hunter)正在形成biexcitons,这是两种像分子一样行为的激子,通过将激光聚焦到100nm的点上,并将其放在一秒钟的时间内。
阿尔曼德·亨特(Almand-Hunter)说:“但是实验并没有像我们预期的那样行事。”当脉冲持续不到1亿分之一时,激子密度达到了临界阈值。 “我们希望看到Biexcitons的能量随着激光产生更多的电子和孔的增加而增加。但是,我们进行实验时看到的是能量实际上减少了!”
该团队认为他们创造了比族圣地以外的其他东西,但不确定是什么。他们联系了马尔堡的菲利普大学的理论家,他们建议他们制作了4、5或6个电子和孔的液滴,并构建了这些液滴行为的模型。
液滴足够小,可以机械地表现量子,但是电子和孔并不成对,就像滴子只是一组激子一样。取而代之的是,它们形成了电子和孔的“量子雾”,它们彼此之间流动,甚至像液体一样波动,而不是作为离散对存在。但是,与我们熟悉的液体不同,液滴尺寸有限,在该液体之外,电子/孔关联分解了。
该发现已在自然。也许最引人注目的是,按量子物理学的标准,液滴是稳定的。尽管它们只能在固体材料中生存,但它们可以持续约25万亿秒,这实际上足以使科学家研究其行为是由环境塑造的。在200nm宽时,液滴与非常小的细菌一样大 - 常规显微镜可以看到这一尺寸。
“古典光学器件只能检测到比波长大的对象,我们正在接近这一限制,”菲利普斯大学的麦基洛·基拉(Mackillo Kira)提供了许多理论基础告诉科学美国人。 “不仅要检测有关液滴的光谱信息,而且要真正看到液滴真的很整洁。”
吉拉实验室负责人史蒂芬·坎迪夫(Steven Cundiff)教授说:“没有人会建造一个量子液滴小部件。”但是,这项工作可以帮助理解多个粒子在机械上相互作用的系统。