En dans af to:skræddersy interaktioner mellem fjerntliggende væsker af excitoner

Et internationalt samarbejde, der involverer europæiske, israelske, og amerikanske videnskabsmænd indser for første gang stærke og retningsafhængige interaktioner i kvantevæsker af excitoner, hvilket står i kontrast til den rumlige isotropi af koblingen mellem ladede partikler. Denne rumlige anisotropi påvirker måden partikler arrangerer sig i rummet og åbner ruter til kunstigt skabte eksotiske tilstande af stof. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgang X .

"Fjer af en fjer flok sammen":dette gamle ordsprog kan gælde for flere livsforhold, men det gælder bestemt ikke for elektriske ladninger:ladninger med samme polaritet frastøder altid hinanden, mens kun ladninger med modsat polaritet tiltrækker. En konsekvens af tiltrækningen mellem uens ladninger er dannelsen af ​​excitoner (elektron-hul-par) i halvledere. Sådanne par af negativt ladede elektroner og positivt ladede huller kan skabes via absorption af lyskvanter (fotoner). Excitoner er såkaldte kvasipartikler, der er et resultat af bindingen af ​​en elektron og et hul ved den attraktive elektrostatiske coulomb-interaktion mellem dem. Excitoner er mobile, men ikke stabile, da elektronerne og hullerne hurtigt kan rekombinere, hvilket fører til emission af en foton. Langtidslevende excitoner kan, imidlertid, skabes i specielle halvleder-dobbeltlag bestående af to tæt anbragte kvantebrønde adskilt af en tynd potentialbarriere (se figur). Hvis en forspænding påføres strukturen, vil elektronerne og hullerne, der danner excitonen, blive lagret i separate kvantebrønde:denne ladningsadskillelse øger rekombinationslevetiden betydeligt. Disse langtidslevende excitoner får et dipolmoment p og er således kendt som dipolære (eller indirekte) excitoner.

Excitonerne såvel som dipolære excitoner er neutrale partikler udadtil, og spørgsmålet opstår, hvordan dipolære excitoner interagerer med hinanden. Svaret kan findes ved at betragte dem som justerede dipoler. I modsætning til den elektrostatiske coulomb-interaktion mellem to ladninger, som kun afhænger af afstanden mellem dem, interaktionen mellem to dipoler afhænger både af den relative orientering mellem deres dipoler og vektoren, der forbinder dem. For justerede dipoler som de dipolære excitoner i figuren, interaktionen skifter fra frastødende til attraktiv, når vinklen mellem dem øges fra 0 til 90 grader.

Eksperimenter med dipolære excitoner udført hidtil har brugt excitoner i et enkelt dobbeltlag, hvor man kun kan sondere den frastødende komponent af den dipolære interaktion. Nu er et internationalt team af forskere fra Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik i Berlin, det hebraiske universitet i Jerusalem, Institut for Videnskab og Teknologi Østrig og University of Princeton fandt en smart måde at overvinde udfordringerne ved at stable to dipolære lag, som illustreret på figuren:på denne måde, de var i stand til for første gang at demonstrere den attraktive dipol-dipol-komponent af koblingen mellem partiklerne, med overraskende resultater. De viser, at tilstedeværelsen af ​​dipolære excitoner i et af dobbeltlagene inducerer en ophobning af dipolære excitoner i det andet dobbeltlag. Sidstnævnte beviser, at det gamle ordsprog under passende forhold også gælder for dipolære excitoner.

For nylig, dipolære kvantegasser og væsker tiltrak meget opmærksomhed, da de er vært for et væld af eksotiske mange-partikel-fænomener, der stammer fra den langrækkende og anisotrope karakter af dipol-dipol-interaktionerne. Dipolære faser af stof er hidtil mest blevet undersøgt i forbindelse med ultrakolde gasser af polære molekyler og magnetiske atomer:et godt eksempel er den nyligt observerede supersoliditet - krystaller, hvor atomerne flyder uden friktion. Sådanne ensembler med lav tæthed, imidlertid, gøre det udfordrende at opnå regimet med stærke interpartikelinteraktioner, hvor det meste af den eksotiske fysik foregår.

Den stærke attraktive inter-dobbeltlags attraktive kobling som demonstreret nu af Hubert et al. gør undersøgelsen af ​​disse fænomener i et faststofsystem af dipolære væsker mulig. I særdeleshed, det kan sondere dipolære tætheder og interaktionsstyrker, der i øjeblikket ikke er tilgængelige i atomare realisationer, som forventes at afsløre nye kollektive effekter og faser. Et eksempel er den større end forventet gensidige modstand og bindingsenergier mellem dipolære partikler påvist i exciton-eksperimenterne. Denne overraskende effekt tilskrives forekomsten af ​​elektroakustiske bølger eller polaroner i de to væsker, medieret af de fjerntliggende dipol-dipol-interaktioner. Når væsketætheden stiger, polarons energi ændrer sig betydeligt, repræsenterer muligvis fasegrænsen mellem gas- og væsketilstand. Dette slående fænomen er en god motivation for fremtidige eksperimenter, der forsøger at realisere de eksotiske mange-kropsfaser med anisotrope interaktioner af stærkt korrelerede kvantesystemer.