Elektronen in een vaste stof kunnen samenwerken om zogenaamde quasideeltjes te vormen, die tot nieuwe fenomenen leiden. Natuurkundigen van de ETH in Zürich hebben nu eerder ongeïdentificeerde quasideeltjes bestudeerd in een nieuwe klasse van atomair dunne halfgeleiders. De onderzoekers gebruiken hun resultaten om een ​​heersende misinterpretatie te corrigeren.

Als je weersverschijnselen probeert te begrijpen, het heeft niet veel zin om naar het gedrag van afzonderlijke waterdruppels of luchtmoleculen te kijken. In plaats daarvan, meteorologen (en ook leken) spreken van wolken, wind en neerslag - objecten die het resultaat zijn van het complexe samenspel tussen kleine deeltjes. Natuurkundigen die zich bezighouden met de optische eigenschappen of de geleidbaarheid van vaste stoffen gebruiken vrijwel dezelfde benadering. Opnieuw, kleine deeltjes - elektronen en atomen - zijn verantwoordelijk voor een veelheid aan verschijnselen, maar een verhelderend beeld ontstaat pas wanneer veel van hen zijn gegroepeerd in "quasideeltjes".

Echter, uitvinden welke quasideeltjes precies in een materiaal ontstaan ​​en hoe ze elkaar beïnvloeden, is geen eenvoudige taak, maar meer verwant aan een grote puzzel waarvan de stukjes in elkaar passen, beetje bij beetje, door moeizaam onderzoek. In een combinatie van experimentele en theoretische studies, Ataç Imamoglu en zijn medewerkers van het Institute for Quantum Electronics aan de ETH in Zürich zijn er nu in geslaagd een nieuw puzzelstukje te vinden, wat ook helpt om een ​​eerder misplaatst stuk in de juiste positie te zetten.

Excitonen en polaronen

In vaste stoffen kunnen quasideeltjes worden gemaakt, bijvoorbeeld, wanneer een foton wordt geabsorbeerd. De bewegingsenergie van elektronen die in een vaste stof rondzwerven, kan alleen waarden aannemen binnen goed gedefinieerde bereiken die bekend staan ​​​​als banden. Een foton kan een elektron bevorderen van een laaggelegen naar een hooggelegen energieband, waardoor een "gat" in de onderste band achterblijft.

Het geëxciteerde elektron en het resulterende gat trekken elkaar aan door de elektrostatische Coulomb-kracht, en als die aantrekkingskracht sterk genoeg is, het elektron-gat-paar kan worden gezien als een quasideeltje - een "exciton" wordt geboren. Twee elektronen en een gat kunnen aan elkaar binden om een ​​trion te vormen. Wanneer excitonen en een groot aantal vrije elektronen tegelijkertijd aanwezig zijn, de beschrijving van de kwalitatief nieuwe - of "emergent" - eigenschappen van het materiaal vereist de introductie van een nieuw type quasideeltjes, Fermi-polarons genaamd.

Quasideeltjes in een halfgeleider

Imamoglu en zijn collega's wilden de aard achterhalen van quasideeltjes die voorkomen in een bepaald type halfgeleiders waarin elektronen zich alleen in twee dimensies kunnen verplaatsen. Om dit te doen, ze namen een enkele laag molybdeendiselenide die duizend keer dunner is dan een micrometer en stopten die tussen twee schijven boornitride. Vervolgens brachten ze een laag grafeen aan om een ​​elektrische spanning aan te brengen waarmee de dichtheid van elektronen in het materiaal kon worden geregeld. Eindelijk, alles werd tussen twee spiegels geplaatst die een optische holte vormden.

Met deze complexe experimentele opstelling konden de natuurkundigen in Zürich nu in detail bestuderen hoe sterk het materiaal licht absorbeert onder verschillende omstandigheden. Ze ontdekten dat wanneer de halfgeleiderstructuur optisch wordt geëxciteerd, Fermi-polarons worden gevormd - en niet, zoals eerder gedacht, excitonen of trions. "Tot dusver, onderzoekers - waaronder ikzelf - de destijds beschikbare gegevens in dat opzicht verkeerd hebben geïnterpreteerd", geeft Imamoglu toe. "Met onze nieuwe experimenten kunnen we dat beeld nu rechtzetten."

Teaminspanning met een gastwetenschapper

"Dit was een teaminspanning met essentiële bijdragen van Harvard-professor Eugene Demler, die een aantal maanden met ons heeft samengewerkt toen hij een ITS-fellow was", zegt Meinrad Sidler, een doctoraalstudent in de Imamoglus-groep. Sinds 2013 zet het Institute for Theoretical Studies (ITS) van de ETH zich in om interdisciplinair onderzoek op het snijvlak van wiskunde, theoretische natuurkunde en informatica. Vooral, het wil nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek faciliteren met als doel de beste ideeën op onverwachte plekken te vinden.

De studie van Imamoglu en zijn collega's, nu gepubliceerd in Natuurfysica , is een goed voorbeeld van hoe dit principe succesvol kan zijn. In zijn eigen onderzoek Eugene Demler houdt zich bezig met ultrakoude atomen, bestuderen hoe mengsels van bosonische en fermionische atomen zich gedragen. "Zijn inzicht in polaronen in atomaire gassen en vaste stoffen hebben ons onderzoek belangrijke en interessante impulsen gegeven, die we misschien niet zelf hebben bedacht", zegt Imamoglu.

Door licht geïnduceerde supergeleiding

De inzichten die ze hebben verzameld, zullen Imamoglu en zijn medewerkers hoogstwaarschijnlijk nog een tijdje bezig houden, aangezien de interacties tussen bosonische (zoals excitonen) en fermionische (elektronen) deeltjes het onderwerp zijn van een groot onderzoeksproject waarvoor Imamoglu vorig jaar een Advanced Grant van de European Research Council (ERC) won, en wordt ook ondersteund door het National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT). Een beter begrip van dergelijke mengsels zou belangrijke implicaties hebben voor fundamenteel onderzoek, maar ook spannende toepassingen lonken. Bijvoorbeeld, een belangrijk doel van het ERC-project is het demonstreren van de controle van supergeleiding met behulp van lasers.