“疯狂的”光源发射器：物理学家观察到了一种不寻常的量子现象

来源：中国数字科技馆

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来自德累斯顿工业大学和维尔茨堡大学量子物质复杂性和拓扑结构研究中心的科学家们通过实验证实了一种在原子级厚度的半导体中发光粒子极不寻常的运动。准粒子，即激子，似乎同时向相反的方向运动。Alexey chernikov教授是德累斯顿工业大学（Universität dresden Technische）新聘用的物理学家，他和他的团队通过在极低温下使用超快显微镜监测移动激子的光发射，发现了这种量子现象。这些发现使激子多体态的量子输运成为现代研究的焦点。这项研究的结果已经发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。

原子厚度物质中的光源发射器

Alexey Chernikov和他的团队研究的量子材料只有几个原子那么薄。由于这些系统中极强的相互作用，这种电子聚集在一起形成新的状态被称为激子。激子的表现像独立的粒子，它能够高效地吸收和发射光。在原子级薄层中，它们在极低温度(如零下268摄氏度到室温)下都可以保持稳定。

对于目前专注于超薄物质中激子运动的研究项目，物理学家Chernikov解释道：“激子可以被理解为一种移动光源。像其他量子力学物体一样，它们结合了波和粒子的特性，通过原子级厚度的晶体传播。这意味着它们既能储存和传输能量和信息，也能将它们再次转化为光。这让我们对它们特别感兴趣。”

现代光学显微镜 （图片来源：维基百科）

寻找“疯狂的”准粒子

使用高灵敏度光学显微镜观察原子级厚度的半导体中激子的快速运动：“首先，我们对产生激子的材料施加了一个短激光脉冲。然后，我们使用一个超快探测器来观察光何时何地重新发射。然而，当我们在非常低的温度下重复这些实验时，准粒子的运动似乎相当惊人。”Chernikov说。

同时向两个方向移动

到目前为止，科学界普遍已知的的激子运动有两种类型：要么激子从一个分子“跳”到另一个分子(这个过程被称为“跳跃”)，要么激子像台球一样“经典”地运动，在随机散射事件后改变方向。“然而，在超薄半导体中，激子的行为方式是我们以前从未见过的。最后，唯一可能的解释是激子偶尔会同时以相反的方向穿过闭合环。这种行为实际上是从单个电子中得知的。然而，在实验中观察到发光激子的这种现象是非常不寻常的。”Chernikov说。

在所有对照实验都证实这一结果之后，科学家们开始寻找这种不同寻常的观察结果的原因。来自圣彼得堡的约飞物理技术研究所（Ioffe Institute）的俄罗斯研究人员Mikhail M. Glazov最近发表的理论著作提供了关键的见解: Glazov描述了在原子级厚度的半导体中激子是如何通过封闭的环形路径进入叠加态的。这意味着激子似乎本质上同时顺时针和逆时针运动。这种效应是一种纯粹的量子力学现象，在经典粒子中不会发生。马尔堡菲利普斯大学（Philipps-Universität Marburg）的Ermin Malic团队为激子动力学提供了额外的见解，科学家们终于能够追踪到这种不寻常的行为。

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展望

在与国际同事的合作中，Alexey Chernikov的团队展示了一种通过实验监测相互作用的多粒子复合物运动中的量子力学效应的方法。然而，对激子准粒子的量子输运的研究还处于起步阶段。在未来，像Chernikov所研究的超薄层这样的材料也可以作为新型激光源、光传感器、太阳能电池甚至量子计算机构件的基础。

翻译：赵书轩

审校：张和持

引进来源：德累斯顿工业大学（Dresden University of Technology）

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