Kalifornijos universiteto fizikai iš San Diego atrado, kad naujoji medžiagos būsena sudaro struktūras, kurias lemia medžiagos savybės.
Straipsnyje, atspausdintame „Nature“ žurnale, mokslininkai aprašė struktūras, kurios pasirodo eksitonus atšaldžius iki temperatūros, artimos absoliučiam nuliui. Eksitonai yra elektronų ir skylių surištosiosios dalelės, kurios lemia optines puslaidininkių savybes, svarbias naujuosiuose optoelektroniniuose prietaisuose. Eksitonų atšaldymas sudaro sąlygas koherentinei medžiagos būsenai susidaryti. Ši medžiagos būsena mokslininkų buvo tirta prie vienos dešimtosios laipsnio temperatūros virš absoliutaus nulio.
Norint geriau suprasti naujosios medžiagos būsenos savybes labai svarbu ištirti spontaninį eksitonų koherentiškumą. Tai padės geriau suprasti ir neįprastas medžiagos kvantines savybes. Tuo pat metu bus galima naudojantis tyrimų rezultatais kurti naujus skaičiavimo įrenginius bei kitus komercinės paskirties prietaisus.
Kalifornijos universiteto mokslininkai naudojo jų sukurtą šaldymo sistemą. Tai leido jiems pasiekti temperatūras apie dešimt kartų žemesnes nei ankstesniuose eksperimentuose. Matavimuose naudodami instrumentą, vadinamą interferometru, jie galėjo išmatuoti kiekvieno rutuliuko, esančio vėrinyje, koherentiškumą bei sukinį.
Jie atrado, kad eksitonų dalelių sukiniai nėra išsidėstę homogeniškai erdvėje. Jie sudaro tam tikras struktūras aplink šiuos rutuliukus. Šias struktūras jie pavadino sukininėmis tekstūromis. Mokslininkai pastebėjo, kad spontaninio koherentiškumo struktūros koreliuoja su šių struktūrų sukinine poliarizacija bei fazių singuliarumais, esančiais koherentinėse eksitonų dujose.
„Buvo labai įdomu stebėti šias struktūras, – pasakė studentas Aleksas High, kuris yra pirmasis straipsnio bendraautorius. – Dar įdomiau buvo matyti stiprią koreliaciją tarp koherencijos ir poliarizacijos.“
Koreliacija tarp eksitonų koherencijos (kairėje) ir sukinių poliarizacijos (dešinėje).
„Mes dabar stengiamės suprasti esmines eksitonų savybes bei norime jas panaudoti valdant eksitonų signalus, – pasakė grupės vadovas Butovas. – Eksitonų fizika yra labai įdomus dalykas. O norint gaminti eksitoninius prietaisus, reikia ištirti eksitonų savybes.“
Fizikai sukūrė eksitonus apšviesdami atšaldytus galio arsenido bandinius lazeriu. Galio arsenidas yra puslaidininkinė medžiaga, naudojama gaminant tranzistorius mobiliuosiuose telefonuose.
Šviesa išmuša elektronus iš atominių orbitalių. Tai sukuria neigiamai įelektrintus laisvuosius elektronus bei teigiamai įelektrintas skylutes.
Elektrinės traukos jėgos stengiasi išlaikyti šias dvi daleles viena šalia kitos. Panašiai ir elektronas su protonu sudaro vandenilio atomą dėl Kuloninės traukos. Tai leidžia eksitonui egzistuoti kaip vienai dalelei, sudarytai iš elektrono ir skylutės. Kadangi elektronas ir skylutė yra arti vienas kito, tai kartais jos susijungia. Šis procesas dar vadinamas anihiliacija. Jo metu išspinduliuojama šviesa, panašiai kaip ir medžiagos bei antimedžiagos anihiliacijos metu.
Siekdami apsaugoti elektroną ir skylutę nuo anihiliacijos, mokslininkai patalpino juos į dvi nanostruktūras, vadinamas kvantiniais šuliniais. Tokiu būdu buvo sukurti eksitonai, pasižymintys reikalinga gyvavimo trukme matavimams atlikti, tai yra apie 50 nanosekundžių.
„Atšalimo metu eksitonai kondensuojasi ir stebima įdomi sukinių fizika, – teigė High. – Galiausiai elektronai ir skylutės rekombinuoja ir išleidžia šviesą laukan iš medžiagos.“
Fizikai savo eksperimente šviesą paleido per sudėtingą veidrodžių sistemą, vadinamą interferometru, kuris suskaido šviesą į du skirtingus kelius. Tai leido jiems nagrinėti dvi to paties bandinio atskiras sritis. Tokio eksperimento metu ir buvo pastebėtos spontaninės koherencijos eksitonų savybės, kurios anksčiau nebuvo registruotos.
