جذب الأضداد. هذا المبدأ الدنيوي المتعلق بالعلاقات بين الناس لا يتوافق دائمًا مع الواقع. لكن في الفيزياء ، كل شيء كما يقولون: الشحنات الكهربائية المعاكسة ، على سبيل المثال ، تجذب دائمًا ، وتتنافر الشحنات المماثلة. هذا المبدأ قديم قدم العالم نفسه ، ولكن يمكن أيضًا أن يخضع لبعض التعديل إذا تم تطبيق قوانين وظواهر فيزيائية أخرى. أجرت مجموعة من العلماء من جامعة ساوثهامبتون (المملكة المتحدة) دراسة تمكنوا من خلالها من إنشاء نوع جديد من المواد يسمى الإكسيتون المرتبط بالفوتون. والأكثر متعة هو أن الفوتونات أصبحت حلقة وصل بين الإلكترونات سالبة الشحنة ، والتي ، وفقًا للمنطق ، كان يجب صدها. كيف تم استخدام الفوتونات بالضبط ، ما هي خصائص الذرة المخترعة ،وفي أي مجالات يمكن استخدام هذا التطوير؟ نتعلم عن هذا من تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
كما تذكرنا بالفعل ، مثل الرسوم (أي متطابقة: ++ أو - -) يجب أن تتنافر ، وعلى عكس (أي العكس: + - / - +) يجب أن تجذب. ومع ذلك ، تتغير صورة هذا التفاعل إذا أضفت قليلًا من الفوتونات ، أي جزيئات الضوء. في هذه الحالة ، يتم إضافة تأثير التأثير الكهروضوئي - تفاعل الضوء والمادة ، عندما يتم نقل طاقة الفوتونات إلى المادة.
في هذا العمل ، ابتكر العلماء جهازًا نانويًا يلتقط الإلكترونات في الآبار الكمومية ذات المقياس النانوي *... إذا جلبت الفوتونات الكثير من الطاقة إلى الجهاز ، فهذا يؤدي إلى خروج الإلكترونات من البئر. من خلال وضع هذا الجهاز بين مرآتين ذهبيتين ، يمكنك حجز الفوتونات. سيؤدي هذا إلى تركيز طاقة الفوتونات على الإلكترونات ، مما يعزز التفاعل بين الضوء والمادة. أدت إضافة المرايا إلى بقاء الإلكترونات سالبة الشحنة في البئر (بدون المرايا ، طردتها الفوتونات من البئر) وبدأت في الارتباط ببعضها البعض.
البئر الكمي * هو بئر محتمل يحد من تنقل الجسيمات من ثلاثة إلى بعدين (أي أن الجسيمات تبدأ في التحرك في طبقة مسطحة).يتم لعب الدور الأكثر أهمية في أداء النظام بأكمله بشكل طبيعي بواسطة الآبار الكمومية الموصوفة أعلاه (QW من البئر الكمومي ). يقول العلماء إن هناك عدة أسباب لذلك.
أولاً ، يتيح لك QW تحقيق قوة اتصال أكبر بين الضوء والمادة ، والتي يمكن تنظيمها عن طريق تغيير كثافة الإلكترون * في QW.
كثافة الإلكترون * - في ميكانيكا الكم ، مقياس لاحتمال أن يشغل الإلكترون عنصرًا صغيرًا للغاية من الفضاء المحيط بأي نقطة تقليدية.ثانيًا ، يمكن جعل الآبار الكمومية ضيقة بدرجة كافية للحصول على نطاق فرعي إلكتروني محلي واحد ، والذي لن يكون له أي انتقالات بين الفروع.
ثالثًا ، في مثل هذا النظام ، لا يؤدي تفاعل كولوم إلى إنشاء حالات مرتبطة.
من النقطتين الأخيرتين ، يترتب على ذلك أن الآبار الكمومية النقية بدون مرنان ضوئي محيط بها لا تمثل أي رنين منفصل على الإطلاق ، ولكن فقط نطاق امتصاص مستمر عند ترددات تتجاوز عتبة التأين.
وبرر غياب التفاعل كولوم التي تشتت شبه مواز اثنين من الإلكترونات في subbands، الأمر الذي يؤدي إلى مثير للاشمئزاز الإلكترون حفرة التفاعل * .
تفاعل ثقب الإلكترون * (تفاعل pn) - منطقة التلامس لجسيمين بأنواع مختلفة من الموصلية - ثقب (ع من موجب - إيجابي) وإلكتروني (ن من سلبي - سلبي)هذا يختلف تمامًا عن حالات انتقالات النطاق البيني في أطوال موجية أقصر ، حيث يكون تفاعل ثقب الإلكترون جذابًا ويؤدي إلى إنشاء رنين ضيق خارج تواصل ثقب الإلكترون في غياب تأثيرات البولاريتون.
وبالتالي ، فإن تكوين البولاريتونات * يمكن أن يغير الرنين الموجود ، لكنه لا يؤدي إلى تكوين رنين إلكتروني جديد موضعي.
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- يحتوي النطاق الفرعي للإلكترونات المملوء في البداية على كتلة فعالة موجبة ، ويؤدي رسم خرائط ثقب الإلكترون إلى ثقب مشحون إيجابيًا مع كتلة فعالة سالبة.
الصور أعلاه هي تخطيطي للظاهرة المذكورة أعلاه. في حالة انتقالات النطاق البيني في الآبار الكمية غير المفتوحة ، تشغل الإلكترونات المشاركة في الانتقال في البداية نطاق التكافؤ بكتلة فعالة سالبة. ومع ذلك ، في حالة التحولات بين الفجوات في الآبار الكمومية المخدرة ، يتم لعب نفس الدور بواسطة أول نطاق فرعي مملوء جزئيًا للتوصيل ، والذي له كتلة فعالة إيجابية * . في رسم خرائط ثقب الإلكترون التقليدي ، ينتج عن هذا ثقب موجب الشحنة مع كتلة فعالة سالبة.
* — , .الكتلة الفعالة للإلكترونات في النطاق الفرعي المثير م 2 في الآبار الكمومية للغاليوم أكبر من الكتلة في النطاق الفرعي الأول م 1 . هذا يؤدي إلى كتلة منخفضة بشكل سلبي لزوج ثقب الإلكترون بين الثقوب m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
في ظل وجود أي إمكانات جذابة لجسمين ، تؤدي الكتلة السالبة إلى تفاعل مثير للاشمئزاز بين ثقب الإلكترون ، والذي بدوره لا يمكنه إنشاء حالات مرتبطة.
للتأكيد العملي على وجود حالات مرتبطة بوساطة الفوتون ، تم إنشاء نظام يتكون من 13 آبارًا كمية من الغاليوم / AlGaAs مدمجة في رنانات فجوة دقيقة ذهبية صخرية ضيقة.
الصورة رقم 2: رسم تخطيطي للإعداد التجريبي. الشكل 2A - توزيع مكون المجال الكهربائي ، متعامدًا على الطبقات المعدنية ، لفترة واحدة (D) من الهيكل ولوضع TM02 لمرنان الشريط ؛ 2 ب - الفحص المجهري لمجموعة من العينات ؛ 2 ج - الإعداد التجريبي المستخدم لقياسات الانعكاس (مجهر متوسط الأشعة تحت الحمراء متصل بمطياف FTIR.
الرنانات عبارة عن شرائط أحادية البعد ، والحقل الكهرومغناطيسي (الرسم البياني 2 أ ) موجود بالكامل تقريبًا تحت المسامير المعدنية.
كانت أبعاد الآبار الكمومية رقيقة بما يكفي لامتلاك نطاق فرعي واحد فقط محاصر ، حيث أن وجود النطاق الفرعي الثاني سيؤدي إلى إنشاء قطبين بين القطبين.
إذا كان هناك منطقتان فرعيتان ، فإن وجود انتقال الرابطة - الرابطة سيؤدي إلى تشبع قوة المذبذب المتاحة ، مما قد يؤدي إلى قمع انتقال الرابطة المتصل ، والذي يجب دراسته في هذا الاختبار.
للتحقق من هذه المعلمة المهمة ، تم تصنيع عينتين HM4229 و HM4230 ، تختلفان في عرض البئر الكمومي والمنشطات. احتوت عينة HM4229 على آبار كمية من GaAs بسمك 4 نانومتر (بعرض L QW = 4 نانومتر) ، كل منها مخدر بكثافة 5 × 10 12 سم -2 . واحتوت عينة HM4230 على آبار كمية (L QW= 3.5 نانومتر) مخدر عند 4.77 × 10 12 سم -2 .
الصورة رقم 3: طبيعة الاقتران المستمر للانتقال البصري في QW خالص بدون مرنان ضوئي محيط. 3 أ - قياس الإرسال عند 300 كلفن للعينات ذات QW بعرض مختلف L QW ؛ 3 ب - 3 هـ عبارة عن مخططات رابطة رابطة ( 3 ب و 3 ج ) وانتقالات رابطة متصلة ( ثلاثية الأبعاد و 3 هـ ) في آبار كمية مخدرة.
-* — , , , () , .توضح المخططات 3 ب - 3 و أن التحولات من أنواع مختلفة (رابطة رابطة وسلسلة رابطة متصلة) في حالات جسيم واحد مختلفة لإمكانات QW تخضع لتحولات تردد معاكسة مع تناقص L QW : الأولى لها تحول أزرق * ، والأخيرة لها انزياح أحمر * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
التحول الأزرق * هو ظاهرة عندما ينخفض الطول الموجي للإشعاع ويزداد التردد.مكّن ذلك من تقييم طبيعة الانتقال البصري من خلال تحليل طيف الإرسال لعينتين قبل استخدام الذهب ( 3 أ ).
الانزياح الأحمر * هو ظاهرة يزداد فيها الطول الموجي للإشعاع (يصبح الضوء أكثر احمرارًا ، على سبيل المثال) ، وينخفض التردد والطاقة.
يوجد امتصاص واسع جدًا هنا ، والذي (كونه استقطابًا مغناطيسيًا عرضيًا) مرتبط بآبار كمية مخدرة. لوحظ أيضًا وجود منطقة أضيق تبلغ حوالي 140 ميغا فولت ، وهي حافة السلسلة المتصلة. لاحظ العلماء أن هذه الوظيفة لا تؤدي إلى انزياح أزرق مع تناقص L QW ، ولكنها تظهر انتقال الوزن الطيفي إلى الجزء الأحمر من الطيف. سيؤدي انتقال اقتران الاقتران في هذه الحالة إلى تحول أزرق بترتيب عشرات الملي إلكترون فولت ، مما يثبت الطبيعة المرتبطة بالتواصل للتحولات في QW النقي.
كما ذكرنا سابقًا ، تم تصنيع جميع العينات داخل شبكة معدنية من أشباه الموصلات ودبابيس معدنية بعرض p ( 2 أ و 2 ب ). نظرًا لأن المجال الكهرومغناطيسي موضعي للغاية تحت الأصابع المعدنية ، فإن النظام يتصرف بشكل أساسي مثل مرنان Fabry - Perot * .
Fabry - Perot resonator * - مرنان بصري يتم فيه توجيه المرايا المتوازية تجاه بعضها البعض. يمكن أن تتشكل موجة ضوئية واقفة طنين بين هذه المرايا.تم تصنيع العديد من الأجهزة على أساس حواجز شبكية بمساحة 200 × 200 ميكرومتر بخطوة في النطاق من 800 نانومتر إلى 5 ميكرومتر ، مما يسمح بتغطية نطاق تردد واسع ( 2 ب ). تم الحصول على بيانات الانعكاس لكل جهاز عند 78 كلفن باستخدام مطياف FTIR المجهز بكريوستات مضغوط للغاية ( 2 ج ).
الصورة # 4: بيانات الانعكاسية التجريبية. الشكل 4A - بيانات عن انعكاسية العينة المخدرة HM4229 اعتمادًا على تردد الرنان ؛ 4 ب - بيانات الانعكاسية لـ HM4229 (أحمر) ورنان نظيف (أخضر) للترددات ω = 157.8 meV (خطوط صلبة) ، ℏω = 147 meV (خطوط متقطعة) و ℏω c = 141.5 meV (خطوط منقطة متقطعة) ؛ 4c - عرض الخط للاهتزازات المختلفة كدالة للطاقة الاهتزازية.
يتم عرض نتائج هذا التحليل في الرسوم البيانية أعلاه. يوضح الشكل 4 أ خريطة لانعكاس العينة HM4229 عند 78 كلفن كدالة لتردد الرنان النقي. إذا لوحظت سلسلة امتصاص أعلى من عتبة التأين (كما هو موضح بالخط المنقط الأفقي الأسود) ، فسيظهر رنين بولاريتون ضيق أدناه. يتم انزياحها نحو الأحمر بأكثر من 20 مي فولت فيما يتعلق بالرنان النقي.
تم رسم ترددات الذروة على خريطة ملونة باستخدام ملاءمة بيانات لورنتز المتعددة. تمثل المثلثات الحمراء والمربعات الزرقاء الترددات أسفل وفوق عتبة التأين المحددة ، على التوالي. للمقارنة ، تحدد الدوائر الخضراء تردد مرنان نقي تم قياسه على عينة غير مفككة.
تحت عتبة التأين ، فإن عمر وضع البولاريتون المنفصل محدود بشكل أساسي بعمر التجويف. أعلاه ، هناك طيف من التواصل المتصل ، حيث يمكن فقط تحديد ميزات ممتدة للغاية وغير محددة.
أظهرت مقارنة أطياف العينات المخدرة وغير المخدرة أن رنينًا منفصلاً يحدث في العينة المخدرة أسفل حافة السلسلة المتصلة ، بينما في عينة متطابقة ولكنها غير مرتبطة كهرومغناطيسيًا ، فهي غائبة.
يمكن وصف هذه الحالة المنفصلة الهجينة بأنها بولياريتون ، تكون كثافة الإلكترون فيها بالنسبة للحالة الأرضية هي:
∆N (ض) = ف [| Ψ هـ (ض) | 2 - | Ψ ز (ض) | 2 ]حيث P (في النطاق 0 ... 1) هو وزن مكون البولاريتون للمادة ؛ Ψ g (z) هي دالة الموجة الطبيعية للإلكترون في حالته الأرضية ؛ Ψ e (z) هي دالة موجية لحالة إلكترونية محلية ناتجة عن تفاعل الضوء والمادة.
الصورة رقم 5: العمليات الحسابية P. 5a - الشفرات الذاتية التي تم الحصول عليها باستخدام نموذج نظري مع معلمات مختارة لمطابقة بيانات الانعكاس التجريبية على خريطة الألوان ؛ 5 ب هي معلمات مستخرجة من 5 أ تُستخدم لحساب P لوضع البولاريتون المنفصل.
في 5 أيتم عرض نتيجة استخدام النموذج النظري لنمذجة طيف الانعكاس المرصود ومقارنته مع البيانات التجريبية بصريًا. سمحت هذه المعلمات بحساب P ( 5b ).
ويترتب على هذا النموذج أن الرنين المنفصل أسفل عتبة التأين محدد بوضوح للقيم غير الصفرية لـ P ، مما يدل على ملء كبير لوظيفة الموجة الإلكترونية Ψ e (z) الناتجة عن الضوء .
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
جعلت هذه التجربة من الممكن إثبات إمكانية اقتران انتقال مؤين مع مرنان فوتوني ، مما يؤدي إلى تعديل غير مضطرب للهيكل الإلكتروني للنظام.
والنتيجة هي إثارة بولاريتون هجينة ، يكون المكون المادي لها حالة مرتبطة ناتجة عن تفاعل الضوء والمادة ، وتتألف من إلكترون وثقب ، متماسكين معًا بسبب تفاعلهما مع مجال كهرومغناطيسي عرضي.
وفقًا للعلماء ، فإن القدرة على ضبط خصائص المادة بسبب الارتباط بمجال الفوتون في فجوة دقيقة هو اتجاه واعد للغاية.
في هذا العمل ، تمكنوا من إنشاء جهاز ، مقيد من جانبين بمرايا ذهبية ، يلتقط الفوتونات ويركز طاقة الضوء على الإلكترونات ، مما يعزز بشكل كبير الارتباط بين الضوء والمادة. في سياق التجارب ، لوحظ أن إلكترونًا سالب الشحنة يقذفه فوتون يظل محاصرًا في بئر كمي ، مرتبطًا بإلكترونات أخرى سالبة الشحنة. علاوة على ذلك ، يظل هذا التكوين مستقرًا بسبب عمل الفوتونات.
بمعنى آخر ، تُظهر هذه الدراسة إمكانية إنشاء نوع جديد من الذرات الاصطناعية ، يمكن تخصيص التكوينات الإلكترونية لها حسب الرغبة.
تعد الفوتونات فرعًا حديثًا من العلوم ، ولكن في نفس الوقت يتزايد تأثيرها كل عام ، ويرجع ذلك إلى هذا النوع من البحث. الضوء ، مثل العديد من الظواهر الأخرى ، يمكن مقارنته بقطة شرودنغر: من ناحية ، كل شيء واضح وواضح ، ولكن إذا تعمقت ، تصبح الحقيقة البسيطة واضحة - بغض النظر عن عدد الإجابات التي يتلقاها الشخص ، سيكون هناك دائمًا المزيد من الأسئلة. ومع ذلك ، في البحث عن إجابات للأسئلة ، على الأقل في العلم ، ليست الإجابة نفسها مهمة بقدر أهمية المسار المؤدي إليها.
شكرا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 بسعة تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع استخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟