Экситонные поляритоны с отрицательной массой, индуцированные диссипативной связью света и вещества в атомарно тонком полупроводнике
Неожиданное наблюдение отрицательной массы у экситон-поляритонов добавило еще одно измерение странности этим странным гибридным частицам света и материи. Д-р Матиас Вурдак, д-р Тинге Юн и д-р Элиезер Эстреко из Департамента квантовых наук и технологий (QST) экспериментировали с экситонными поляритонами, когда поняли, что при определенных условиях дисперсия становится инвертированной, что соответствует отрицательной массе.
Экспериментальная реализация отрицательной массы.
а Схема изготовленного микрорезонатора с внедренным монослоем WS2 . b, в Спектры ФЛ с разрешением по импульсу двух образцов с разными значениями экситон-фотонной расстройки, ∆ 0 . Максимальная интенсивность при каждом значении k масштабируется до единицы, чтобы визуализировать форму нижней ветви. На панели c нормировка спектра выполнена для E < 2,028 эВ, чтобы подавить сильное излучение верхней ветви. Черные кружки — это подобранные пиковые положения двух ветвей. Сплошные красные линии — аппроксимированная дисперсия верхнего (EU) и нижнего (EL) поляритонов, а черные пунктирные линии — зачищенные фотоны микрорезонатора (Ec) и экситоны (Ex). Столбики погрешностей в b, c представляют 95% доверительный интервал. d Массовые параметры (красный) m1 и (синий) m2 нижних ветвей на панелях (b) и (c), области с отрицательной массой заштрихованы красным.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36618-6
«Мы этого не ожидали — дисперсия следовала очень нетрадиционному поведению», — сказал доктор Вурдак, член FLEET, а также QST.
Экситон образуется из пары электрона и дырки в полупроводниковом кристалле. Если эта пара затем сильно соединяется с фотоном, может образоваться гибридная частица, известная как экситон- поляритон.
Научные сотрудники FLEET и исследователи ANU: слева направо д-р Элиэзер Эстреко, д-р Маттиас Вурдак, д-р Тингхе Юн.
Предоставлено: Фил Дули ANU
Экситон-поляритоны были впервые обнаружены более 30 лет назад, и было показано, что они обладают замечательными свойствами, включая сверхтекучесть и образование конденсатов Бозе-Эйнштейна. По всему миру несколько исследовательских групп изучают нелогичное поведение этих странных частиц в надежде, что они могут стать основой будущих низкоэнергетических технологий.
Наблюдение за отрицательной массой заставило ученых из группы профессора Елены Островской вернуться к доске, чтобы попытаться выяснить, что могло вызвать такой эффект.
Простота эксперимента, монослой дисульфида вольфрама, интегрированный в микрорезонатор, означала, что его можно было аппроксимировать с помощью простой модели связанных осцилляторов, и поэтому оставляло мало возможностей для неожиданных эффектов. Команда вскоре поняла, что воображаемая константа связи, называемая диссипативной связью, в их расчетах повторяла их наблюдения.
Однако они изо всех сил пытались понять математическую модель, пока не рассмотрели другие поля, такие как микроволновые полости, и не поняли, что воображаемая константа связи может равняться потерям в системе свет-материя.
Чтобы подтвердить эту интерпретацию, команда обратилась к экспертам по численному моделированию физики в двумерных системах во главе с профессором Андреасом Кнорром из Технического университета Берлина в Германии. Мануэль Катцер и доктор Мальте Селиг из его команды смогли подтвердить, что отрицательная масса может возникать из-за потерь, в частности из-за взаимодействия между экситон-поляритонами и фононами в атомарно-тонком полупроводнике.
Расчеты также показали, что по мере отключения экситон-фононных взаимодействий масса менялась с положительной на отрицательную, поведение, которое воспроизводили последующие эксперименты в ANU. Результаты теперь опубликованы в Nature Communications.
Доктор Вурдак сравнил поведение экситон-поляритонов с поведением лодок на озере.
«Фононы в активном материале подобны волнам на озере, которые могут влиять на движение лодок — перенаправлять их, заставляя их раскачиваться и опрокидываться. Это снижает их кинетическую энергию, что в целом приводит к потерям импульса, энергии и чисел заполнения." он сказал.
По словам доктора Эстречо, также из FLEET, в поисках низкоэнергетических технологий ученые идут на многое, чтобы уменьшить или устранить потери.
«Обычно мы не хотим потерь, но здесь потери дали нам что-то новое», — сказал он. «Это позволило нам ввести отрицательную массу в сильно связанную систему».
По словам доктора Вурдака, это открытие является еще одной гранью нелогичного поведения экситонов и поляритонов.
«Это поведение может быть использовано для инженерии дисперсии, потенциально для исследования новой физики и создания устройств, о которых пока невозможно мечтать. Я не могу предсказать масштабы будущих приложений, используя этот вид инженерии дисперсии, но я надеюсь, что это будет изучено в будущем научно-исследовательской деятельности", - сказал он.
