California Ülikooli füüsikud avastasid mustreid, mis on aluseks uue aine seisundi omadustele. Teadusajakirjas Nature 29. märtsil avaldatud artiklis kirjeldavad teadlased „spontaanse sidususe“ , „spinni tekstuuride“ ja „faasi iseärasuste“ tekkimist, kui eksitone jahutatakse peaaegu absoluutse nullini. Eksitonid on elektronide ja elektronaukude seotud paarid, mis määravad pooljuhtide optilised omadused ja võimaldavad neil töötada uudsete optoelektrooniliste seadmetena. Jahutamine viib uue sidusa aineseisundi spontaanse tekkeni. Seda seisundit oli füüsikutel viimaks võimalik mõõta suure täpsusega oma keldri-laboratooriumis Californi Ülikoolis San Diegos temperatuuril, mis jäi vaid kümnendosa võrra üle absoluutse nulli.
Eksitonide spontaanse sidususe moodustumise aluseks oleva fenomeni avastus võimaldab jõuda parema teadusliku arusaamiseni sellest uuest aineseisundist. See on ka pilguheit veidratele aine kvantomadustele ja võib aja jooksul viia uudsete arvutustehnikaseadmete ja teiste tööstuslike rakenduste väljatöötamiseni optoelektroonikas, kus valguse ja aine põhiomaduse mõistmine on hädavajalik, kirjutab Physorg.com.
Eksitonid ise-organiseerusid korrastatud ritta, mis näeb välja kui miniatuurne pärlikee. Pilt: Physorg.com
Uurimustöö meeskonda juhtis füüsikaprofessor Leonid Butov, kes 2002. aastal avastas, et kui eksitone piisavalt jahutada, kipuvad need ise-organiseeruma mikroskoopiliste piiskade korrastatud ritta, justkui pärlikee. Kasutades tehnoloogia tippsaavutus-külmutussüsteemi, olid CÜ San Diego füüsikud võimelised saavutama kümme korda külmemaid temperatuure kui see neil varasemate jõupingutuste tulemusel õnnestus. Enneolematu külmuse saavutamine võimaldas teadlastel interferomeetri abil mõõta selle kee iga „pärli“ sidusust ja spinni.
Seda tehes avastasid nad, et eksitoni osakeste spinn ei olnud ruumis homogeenne, vaid moodustab nende pärlite ümber mustreid, mida teadlased kutsuvad „spinni tekstuurideks“. Lisaks avastasid uurijad, et spontaanse sidususe muster on korrelatsioonis spinni polarisatsiooni mustri ja faasi iseärasustega sidusas eksitongaasis.
„Selle mustri nägemine oli üllatav,“ sõnas käesoleva uurimustöö juhtiv autor Alex High. „Ning oli veelgi üllatavam, et polarisatsiooni mõõtmised näitasid, et sidususe ja polarisatsiooni vahel oli tugev vastastikune sõltuvus.“
„Me teeme tööd nii eksitonide põhiomadustest aru saamise kui eksitonilise signaalitöötluse arendamisega,“ väitis Butov. „Eksitonide füüsika on juba iseenesest huvitav. Veelgi enam, eksitonide põhiomaduste mõistmine on vajalik eksitoniliste seadmete ehitamiseks tulevikus.“
Füüsikud avastasid seose eksitonide sidususe (vasakul) ja spinni polarisatsiooni (paremal) vahel. Pilt: Physorg.com
Füüsikud tekitasid eksitone nii, et valgustasid laserkiirega gallium arseniidi jahutatud näidist. Gallium arseniid on pooljuht-aine, mida kasutatakse mobiiltelefonide transistorite valmistamiseks. Valgus lööb elektroni välja aatomiorbitaalidest, kus nad tavapäraselt aines asuvad. See loo negatiivselt laetud „vaba“ elektroni ja positiivselt laetud „augu“.
Elektriline külgetõmbejõud hoiab neid kaht objekti teineteise lähedal, nagu elektroni ja prootonit vesiniku aatomis. See võimaldab ka eksitonidel eksisteerida üksiku osakesena, mitte vastastikmõju mitteavaldava elektroni ja auguna. Sellegipoolest, kuna elektron ja auk jäävad teineteise lähestikku, hävitavad nad vahetevahel teineteist valgussähvatusega, sarnaselt aine ja antiainega.
Selle hävitamise kontrollimiseks eraldas Butov oma meeskonnaga elektronid ja nende augud erinevateks nanosuurusteks struktuurideks, mida nimetatakse kvantkaevudeks. See võimaldab luua vajaliku elueaga eksitone, milleks oli käesolevas eksperimendis 50 nanosekundit. „Selle aja jooksul nad jahtuvad, moodustavad kondensaadid ja demonstreerivad huvitavad spinni füüsikat,“ väitis High. „Lõpuks elektron ja auk taas-kombineeruvad ja valgus eraldub taas.“
Oma eksperimentide käigus saatsid füüsikud kiirguse läbi keerulise peeglikomplekti, mida nimetatakse interferomeetriks. See seade jagab valguse kaheks erinevaks rajaks. Seega said uurijad võrrelda kaht ruumiliselt eraldatud piirkonda samas näidises, mis võimaldas neil näha eksitonide spontaanse sidususe peeni üksikasju, mida nad kunagi varem näinud ei olnud. „Eelnevad eksperimendid vajasid kiudoptikat igat sorti optiliste mõõtmiste läbi viimiseks lahjendus-külmuteid,“ väitis High. „Selle varustusega oli meil aga võimalik võtta eksitonidest pilte ülimadalatel temperatuuridel. See on väga huvitav avastus, mis hõlmab väga rikkalikku füüsikat.“
Vaata ka videot siit.
Teadusartikkel: „Spontaneous coherence in cold exciton gas“
Leave a Reply