Los opuestos se atraen. Este principio mundano sobre las relaciones entre las personas no siempre se corresponde con la realidad. Pero en física todo es como dicen: las cargas eléctricas opuestas, por ejemplo, siempre se atraen y las similares se repelen. Este principio es tan antiguo como el mundo mismo, pero también puede estar sujeto a alguna modificación si se aplican otras leyes y fenómenos físicos. Un grupo de científicos de la Universidad de Southampton (Reino Unido) realizó un estudio en el que lograron crear un nuevo tipo de material llamado excitón ligado a fotones. Lo más placentero es que los fotones se convirtieron en un enlace de conexión entre electrones cargados negativamente, que, según la lógica, deberían haber sido repelidos. ¿Cómo se usaron exactamente los fotones, cuáles son las características del átomo inventado,y ¿en qué áreas se puede utilizar este desarrollo? Aprendemos sobre esto del informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
Como ya hemos recordado, las cargas similares (es decir, idénticas: ++ o - -) deberían repelerse entre sí, y las cargas opuestas (es decir, las opuestas: + - / - +) deberían atraerse. Sin embargo, la imagen de esta interacción cambia si agrega una pizca de fotones, es decir, partículas de luz. En este caso, se agrega la influencia del efecto fotoeléctrico: la interacción de la luz y la materia, cuando la energía de los fotones se transfiere a la materia.
En este trabajo, los científicos han creado un nanodispositivo que captura electrones en pozos cuánticos a nanoescala *... Si los fotones aportan mucha energía al dispositivo, esto conduce a la salida de electrones del pozo. Al colocar este dispositivo entre dos espejos de oro, los fotones pueden quedar atrapados. Debido a esto, la energía de los fotones se concentrará en los electrones, potenciando la interacción entre la luz y la materia. La adición de espejos hizo que los electrones cargados negativamente permanecieran en el pozo (sin los espejos, los fotones los expulsaron del pozo) y comenzaron a unirse entre sí.
El pozo cuántico * es un pozo potencial que limita la movilidad de las partículas de tres a dos dimensiones (es decir, las partículas comienzan a moverse en una capa plana).El papel más importante en el rendimiento de todo el sistema lo desempeñan naturalmente los pozos cuánticos descritos anteriormente (QW del pozo cuántico ). Hay varias razones para esto, dicen los científicos.
En primer lugar, QW le permite lograr una mayor fuerza de conexión entre la luz y la materia, que se puede regular cambiando la densidad de electrones * en QW.
Densidad de electrones * : en mecánica cuántica, una medida de la probabilidad de que un electrón ocupe un elemento infinitamente pequeño del espacio que rodea cualquier punto convencional.En segundo lugar, los pozos cuánticos se pueden hacer lo suficientemente estrechos para obtener una subbanda electrónica localizada, que no tendrá transiciones entre subbandas.
En tercer lugar, en tal sistema, la interacción de Coulomb no crea estados ligados.
De los dos últimos puntos se deduce que los pozos cuánticos puros sin un resonador fotónico circundante no representan ninguna resonancia discreta, sino solo una banda de absorción continua a frecuencias que superan el umbral de ionización.
La ausencia de la interacción de Coulomb se justifica por la dispersión casi paralela de las dos subbandas de electrones, lo que conduce a una interacción repulsiva electrón-hueco * .
Interacción electrón-agujero * (interacción pn): el área de contacto de dos partículas con diferentes tipos de conductividad: agujero (p de positivo a positivo) y electrónico (n de negativo a negativo).Esto es muy diferente de los casos de transiciones entre bandas en longitudes de onda más cortas, donde la interacción electrón-agujero es atractiva y conduce a la creación de resonancias estrechas fuera del continuo electrón-agujero en ausencia de efectos de polaritón.
Por tanto, la formación de polaritones * puede cambiar las resonancias existentes, pero no conduce a la creación de nuevas resonancias electrónicas localizadas.
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- la subbanda de electrones inicialmente llena tiene una masa efectiva positiva, y el mapeo de agujeros de electrones conduce a un agujero cargado positivamente con una masa efectiva negativa.
Las imágenes de arriba son esquemáticas del fenómeno anterior. En el caso de transiciones entre bandas en pozos cuánticos sin dopar, los electrones que participan en la transición ocupan inicialmente la banda de valencia con una masa efectiva negativa. Sin embargo, en el caso de transiciones entre subbandas en pozos cuánticos dopados, la primera subbanda de conducción parcialmente llena, que tiene una masa efectiva positiva * , desempeña el mismo papel . En el mapeo convencional de huecos de electrones, esto da como resultado un hueco cargado positivamente con masa efectiva negativa.
* — , .La masa efectiva de electrones en la subbanda m 2 excitada en los pozos cuánticos de GaAs es mayor que la masa en la primera subbanda m 1 . Esto conduce a una masa reducida negativamente del par electrón-hueco entre subbandas m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
En presencia de cualquier potencial atractivo de dos cuerpos, la masa negativa conduce a una interacción repulsiva electrón-hueco que, a su vez, no puede crear estados ligados.
Para la confirmación práctica de la presencia de estados unidos mediados por fotones, se creó un sistema que consta de 13 pozos cuánticos de GaAs / AlGaAs incrustados en resonadores de microcavidad de oro de rejilla estrecha.
Imagen nº 2: diagrama del montaje experimental. 2 - distribución del componente de campo eléctrico, ortogonal a las capas metálicas, durante un período (D) de la estructura y para el modo TM02 del resonador de cinta; 2b - microscopía de un conjunto de muestras; 2c : configuración experimental utilizada para medir la reflectancia (microscopio de infrarrojo medio conectado a un espectroscopio FTIR.
Los resonadores son cintas unidimensionales y el campo electromagnético (circuito 2a ) está contenido casi por completo debajo de las clavijas metálicas.
Las dimensiones de los pozos cuánticos eran lo suficientemente delgadas como para tener solo una subbanda de conducción atrapada, ya que la presencia de la segunda subbanda conduciría a la creación de polaritones entre subbandas.
Si hubiera dos subzonas, entonces la presencia de una transición enlace-enlace conduciría a la saturación de la fuerza del oscilador disponible, lo que conduciría a la supresión de la transición enlace-continuo, que debería estudiarse en esta prueba.
Para comprobar este importante parámetro, se fabricaron dos muestras HM4229 y HM4230, que difieren en el ancho del pozo cuántico y el dopaje. La muestra HM4229 contenía pocillos cuánticos de GaAs de 4 nm de espesor (con un ancho L QW = 4 nm), cada uno de los cuales estaba dopado con una densidad de 5 x 10 12 cm -2 . Y la muestra HM4230 contenía pozos cuánticos (L QW= 3,5 nm) dopado a 4,77 x 10 12 cm -2 .
Imagen No. 3: naturaleza de acoplamiento continuo de la transición óptica en QW puro sin un resonador fotónico circundante. 3 - medición de transmisión a 300 K para muestras con QW de diferente ancho L QW ; 3b - 3e son esquemas de transición enlace-enlace ( 3b y 3c ) y enlace continuo ( 3d y 3e ) en pozos cuánticos dopados.
-* — , , , () , .Los diagramas 3b - 3f muestran que las transiciones de diferentes tipos (enlace-enlace y enlace-continuo) en diferentes estados de una sola partícula del potencial QW experimentan cambios de frecuencia opuestos con L QW decreciente : los primeros tienen un desplazamiento al azul * , los segundos tienen un desplazamiento al rojo * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
Desplazamiento azul * : fenómeno en el que la longitud de onda de la radiación disminuye y la frecuencia aumenta.Esto hizo posible evaluar la naturaleza de la transición óptica analizando el espectro de transmisión de dos muestras antes de usar oro ( 3a ).
Redshift * es un fenómeno en el que la longitud de onda de la radiación aumenta (la luz se vuelve más roja, por ejemplo) y la frecuencia y la energía disminuyen.
Aquí hay una absorción muy amplia, que (al ser polarización magnética transversal) está asociada con pozos cuánticos dopados. También se observa una región más estrecha de aproximadamente 140 meV, que es el borde del continuo. Los científicos señalan que esta función no conduce a un desplazamiento al azul con L QW decreciente , pero muestra la transferencia de peso espectral a la parte roja del espectro. La transición enlace-enlace conduciría a un cambio al azul del orden de decenas de milielectronvoltios, lo que demuestra la naturaleza de enlace continuo de las transiciones en QW puros.
Como se mencionó anteriormente, todas las muestras se fabricaron dentro de una red de metal-semiconductor-metal y pasadores de metal con ancho p ( 2a y 2b ). Dado que el campo electromagnético está extremadamente localizado debajo de los dedos de metal, el sistema se comporta esencialmente como un resonador Fabry-Perot * .
El resonador Fabry-Perot * es un resonador óptico en el que los espejos paralelos se dirigen entre sí. Se puede formar una onda óptica estacionaria resonante entre estos espejos.Se fabricaron varios dispositivos a base de rejillas con un área de 200 x 200 μm con un paso en el rango de 800 nm a 5 μm, lo que permite cubrir un amplio rango de frecuencias ( 2b ). Los datos de reflectancia se obtuvieron para cada dispositivo a 78 K utilizando un espectroscopio FTIR equipado con un criostato muy compacto ( 2c ).
Imagen # 4: Datos de reflectividad experimental. 4 - datos sobre la reflectividad de la muestra dopada HM4229 en función de la frecuencia del resonador; 4b - datos de reflectividad para HM4229 (rojo) y un resonador limpio (verde) para frecuencias ω = 157,8 meV (líneas continuas), ℏω = 147 meV (líneas discontinuas) y ℏω c = 141,5 meV ( líneas discontinuas y discontinuas ); 4c - ancho de línea para diversas vibraciones en función de la energía vibratoria.
Los resultados de este análisis se presentan en los gráficos anteriores. La figura 4a muestra un mapa de la reflectancia de la muestra HM4229 a 78 K en función de la frecuencia del resonador puro. Si se observa un continuo de absorción por encima del umbral de ionización (mostrado por la línea punteada horizontal negra), entonces aparece una resonancia de polaritón estrecha debajo. Se desplaza hacia el lado rojo en más de 20 meV con respecto a un resonador puro.
Las frecuencias máximas se trazaron en un mapa de colores utilizando múltiples ajustes de datos de Lorentz. Los triángulos rojos y los cuadrados azules representan frecuencias por debajo y por encima del umbral de ionización identificado, respectivamente. A modo de comparación, los círculos verdes marcan la frecuencia de un resonador puro medida en una muestra sin dopar.
Por debajo del umbral de ionización, la vida útil de un modo de polaritón discreto está limitada principalmente por la vida útil de la cavidad. Arriba, hay un espectro de comunicación-continuo, en el que solo se pueden identificar características muy extendidas y vagas.
La comparación de los espectros de muestras dopadas y no dopadas mostró que se produce una resonancia discreta en la muestra dopada por debajo del borde del continuo, mientras que en una muestra idéntica pero no unida electromagnéticamente está ausente.
Un estado discreto híbrido similar se puede describir como un polaritón, cuya densidad de electrones en relación con el estado fundamental es:
∆N (z) = P [| Ψ e (z) | 2 - | Ψ g (z) | 2 ]donde P (en el rango 0 ... 1) es el peso del componente polariton de la materia; Ψ g (z) es la función de onda normalizada de un electrón en su estado fundamental; Ψ e (z) es la función de onda de un estado electrónico localizado generado por la interacción de la luz y la materia.
Imagen No. 5: cálculos P. 5 - modos propios obtenidos usando un modelo teórico con parámetros seleccionados para coincidir con los datos experimentales de reflectancia en el mapa de colores; 5b son parámetros extraídos de 5a que se utilizan para calcular P para el modo de polariton discreto.
A las 5aSe muestra visualmente el resultado de utilizar un modelo teórico para modelar el espectro de reflectancia observado y compararlo con datos experimentales. Estos parámetros permitieron el cálculo de P ( 5b ).
De este modelo se deduce que la resonancia discreta por debajo del umbral de ionización está claramente definida para valores distintos de cero de P, lo que demuestra un llenado significativo de la función de onda electrónica Ψ e (z) generada por la luz .
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
Este experimento permitió demostrar la posibilidad de acoplar una transición ionizante con un resonador fotónico, lo que conduce a una modificación no perturbativa de la estructura electrónica del sistema.
El resultado es una excitación híbrida de polaritón, cuyo componente material es un estado ligado generado por la interacción de la luz y la materia, que consta de un electrón y un agujero, unidos debido a su interacción con un campo electromagnético transversal.
Según los científicos, la capacidad de ajustar las propiedades de un material debido a la conexión con el campo de fotones de una microcavidad es una dirección extremadamente prometedora.
En este trabajo, pudieron crear un dispositivo, limitado en dos lados por espejos dorados, que capturaba fotones y enfocaba la energía de la luz en los electrones, lo que fortaleció dramáticamente la conexión entre la luz y la materia. Durante los experimentos, se notó que el electrón cargado negativamente expulsado por el fotón permanece atrapado en el pozo cuántico, asociado con otros electrones cargados negativamente. Además, esta configuración se mantiene estable debido a la acción de los fotones.
En otras palabras, este estudio muestra la posibilidad de crear un nuevo tipo de átomos artificiales, cuyas configuraciones electrónicas se pueden personalizar a voluntad.
La fotónica es una rama de la ciencia bastante joven, pero al mismo tiempo su influencia crece cada año, lo que se debe a este tipo de investigaciones. La luz, como muchos otros fenómenos, se puede comparar con el gato de Schrödinger: por un lado, todo es claro y obvio, pero si profundizas, una verdad simple se vuelve obvia: no importa cuántas respuestas reciba una persona, siempre habrá más preguntas. Sin embargo, en la búsqueda de respuestas a las preguntas, al menos en la ciencia, no es tanto la respuesta en sí misma lo que es importante como el camino que conduce a ella.
Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan una buena semana de trabajo, chicos. :)
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