Een internationale samenwerking met Europese, Israëlisch, en Amerikaanse wetenschappers realiseren voor het eerst sterke en richtingsafhankelijke interacties in kwantumvloeistoffen van excitonen, wat contrasteert met de ruimtelijke isotropie van de koppeling tussen geladen deeltjes. Deze ruimtelijke anisotropie beïnvloedt de manier waarop deeltjes zich in de ruimte rangschikken en opent routes naar kunstmatig gecreëerde exotische toestanden van materie. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

"Vogels van een veer komen samen":dit oude spreekwoord kan van toepassing zijn op verschillende levensomstandigheden, maar het is zeker niet van toepassing op elektrische ladingen:ladingen van dezelfde polariteit stoten elkaar altijd af, terwijl alleen ladingen van tegengestelde polariteit elkaar aantrekken. Een gevolg van de aantrekkingskracht tussen ongelijke ladingen is de vorming van excitonen (elektronen-gat-paren) in halfgeleiders. Door de absorptie van lichtquanta (fotonen) kunnen zulke paren negatief geladen elektronen en positief geladen gaten ontstaan. Excitonen zijn zogenaamde quasi-deeltjes die het gevolg zijn van de binding van een elektron en een gat door de aantrekkelijke elektrostatische coulomb-interactie daartussen. Excitonen zijn mobiel maar niet stabiel omdat de elektronen en gaten snel kunnen recombineren, wat leidt tot de emissie van een foton. Langlevende excitonen kunnen, echter, worden gemaakt in speciale halfgeleider dubbellagen bestaande uit twee dicht bij elkaar gelegen kwantumputten gescheiden door een dunne potentiaalbarrière (zie figuur). Als er een voorspanning op de structuur wordt aangelegd, worden de elektronen en gaten die het exciton vormen, opgeslagen in afzonderlijke kwantumputten:deze ladingsscheiding verlengt de recombinatielevensduur aanzienlijk. Deze langlevende excitonen krijgen een dipoolmoment p en staan ​​daarom bekend als dipolaire (of indirecte) excitonen.

Zowel de excitonen als de dipolaire excitonen zijn naar buiten toe neutrale deeltjes en de vraag rijst hoe dipolaire excitonen met elkaar interageren. Het antwoord kan worden gevonden door ze als uitgelijnde dipolen te beschouwen. In tegenstelling tot de elektrostatische coulomb-interactie tussen twee ladingen, die alleen afhangt van de afstand ertussen, de interactie tussen twee dipolen hangt zowel af van de relatieve oriëntatie tussen hun dipolen als van de vector die ze verbindt. Voor uitgelijnde dipolen zoals de dipolaire excitonen in de figuur, de interactie verandert van weerzinwekkend naar aantrekkelijk naarmate de hoek tussen hen toeneemt van 0 tot 90 graden.

Experimenten met dipolaire excitonen die tot nu toe zijn uitgevoerd, gebruikten excitonen in een enkele dubbellaag, waar men alleen de weerzinwekkende component van de dipolaire interactie kan onderzoeken. Nu heeft een internationaal team van onderzoekers van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlijn, de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, het Institute of Science and Technology Austria en de University of Princeton hebben een slimme manier gevonden om de uitdagingen te overwinnen door twee dipolaire lagen op elkaar te stapelen, zoals geïllustreerd in de afbeelding:op deze manier, ze waren in staat om voor het eerst de aantrekkelijke dipool-dipoolcomponent van de koppeling tussen de deeltjes aan te tonen, met verrassende resultaten. Ze laten zien dat de aanwezigheid van dipolaire excitonen in een van de bilagen een accumulatie van dipolaire excitonen in de tweede bilaag induceert. Dit laatste bewijst dat onder de juiste omstandigheden het oude spreekwoord ook van toepassing is op dipolaire excitonen.

Onlangs, dipolaire kwantumgassen en vloeistoffen trokken veel aandacht, omdat ze een overvloed aan exotische veeldeeltjesfenomenen herbergen die hun oorsprong vinden in het langeafstands- en anisotrope karakter van de dipool-dipool-interacties. Dipolaire fasen van materie zijn tot nu toe vooral bestudeerd in de context van ultrakoude gassen van polaire moleculen en magnetische atomen:een goed voorbeeld is de recent waargenomen supervastheid:kristallen waar de atomen zonder wrijving stromen. Dergelijke ensembles met een lage dichtheid, echter, het een uitdaging maken om het regime van sterke interdeeltjesinteracties te bereiken, waar de meeste exotische natuurkunde plaatsvindt.

De sterke aantrekkelijke inter-bilaag aantrekkelijke koppeling zoals nu aangetoond door Hubert et al. maakt het onderzoek van deze verschijnselen in een solid-state systeem van dipolaire vloeistoffen mogelijk. Vooral, het kan dipolaire dichtheden en interactiesterkten onderzoeken die momenteel niet beschikbaar zijn in atomaire realisaties, die naar verwachting nieuwe collectieve effecten en fasen aan het licht zal brengen. Een voorbeeld is de groter dan verwachte wederzijdse weerstand en bindingsenergieën tussen dipolaire deeltjes die werden gedetecteerd in de exciton-experimenten. Dit verrassende effect wordt toegeschreven aan het verschijnen van elektro-akoestische golven of polarons in de twee vloeistoffen, gemedieerd door de verre dipool-dipool interacties. Naarmate de vloeistofdichtheid toeneemt, de polaron-energie verandert aanzienlijk, mogelijk representatief voor de fasegrens tussen gas- en vloeistoftoestanden. Dit opvallende fenomeen is een goede motivatie voor toekomstige experimenten die de realisatie van de exotische veellichamenfasen met anisotrope interacties van sterk gecorreleerde kwantumsystemen trachten te realiseren.