Физики разработали новый метод оптического контроля, который позволяет бесконтактно изучать внутренние вибрации вигнеровских кристаллов и управлять спинами частиц без использования мощных магнитных полей. Об этом сообщает «Хайтек» со ссылкой на исследование в журнале Nature Physics.
Обычно электроны свободно перемещаются внутри проводников. Однако при экстремально низких температурах и малой плотности их взаимное электрическое отталкивание побеждает кинетическую энергию. В этот момент частицы замирают и выстраиваются в строгие геометрические структуры — вигнеровские кристаллы. Эти квантовые объекты очень хрупки, поэтому ученые долго не могли изучить их внутреннюю динамику.
Группа исследователей под руководством Ю Чжоу из Мэрилендского университета создала полупроводниковое устройство на основе монослоя диселенида вольфрама. Ученые зажали этот атомарно тонкий слой между двумя изолирующими пластинами из нитрида бора и добавили графитовые затворы для контроля плотности электронов. Физики охладили систему до температуры 5 Кельвинов, чтобы спровоцировать кристаллизацию электронов.
Затем авторы работы направили на полученный кристалл световой луч и измерили спектр отражения. Свет создал в материале экситоны — связанные пары из электронов и электронных «дырок». Эти квазичастицы начали локально искажать кристаллическую решетку. В результате возникли так называемые вигнеровские поляроны — экситоны, «одетые» в деформацию решетки.
Анализ отраженного излучения помог ученым впервые зафиксировать собственные фононы — кванты тепловых вибраций электронного кристалла. Также исследователи научились управлять характеристиками этой структуры с помощью лазера. Поляризованный по кругу свет заставил спины электронов развернуться в нужном направлении без внешнего магнитного поля.
Кроме того, эксперимент показал возможность бесконтактного плавления квантового кристалла. Когда физики увеличили мощность лазера, в материале возникло избыточное количество экситонов. Они экранировали кулоновские взаимодействия между электронами, сделали структуру мягче и заставили ее перейти в хаотичное жидкое состояние. Новая технология поможет инженерам в разработке перспективных спинтронных и квантовых компьютеров.
Обложка: экситон — пара электрон-дырка (зелёные шары — электроны, красные — дырки) — искажает окружающую решётку электронов (зелёные), формируя вигнеровский полярон. Оптический сигнал от полярона показывает, как вибрирует электронный кристалл. Источник: You Zhou, University of Maryland
