СТУДЕНТ АЛФЕРОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ОПИСАЛ НОВЫЙ ЭФФЕКТ В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ

23 января 2021, 13:17

Физик Алфёровского университета вместе с коллегами из ИТМО создали новую модель эффекта Холла для экситонов — электрически нейтральных квазичастиц. Согласно модели, экситоны рассеиваются в двумерном материале на заряженных примесях, после чего поток частиц отклоняется в определенном направлении. Причём, возникновение такого эффекта требует только наличия внешнего магнитного поля. Ранее считалось, что для этого необходимо соблюдение широкого перечня условий системы. Исследование позволит отделять светлые и темные экситоны в полупроводнике для дальнейших квантовых исследований.  Работа опубликована в Physical Review Letters.

 

Создание новых приборов и материалов требует фундаментальных исследований, в том числе и в такой области как квантовая физика. В частности, одним из методов исследования свойств полупроводников является изучение эффекта Холла — явления, которое описывает появление компоненты тока, перпендикулярной электрическому полю в присутствии магнитного поля, приложенного перпендикулярно к образцу. С момента его открытия было найдено множество его аналогов, которые с виду очень на него похожи, но могли иметь совсем иную природу. 

 

Студент Алфёровского университета и физики ИТМО впервые теоретически описали новую модель эффекта Холла для экситонов в двумерных материалах, требующую только наличия внешнего магнитного поля. Эффект предложен для экситонов в квантовых ямах -- тонких полупроводниковых плёнках.

 

В ранее предложенных моделях экситонного эффекта Холла требовалось выполнение специфических условий: наличия градиента температуры, внешнего электрического поля, особой связи между спиновыми и долинными степенями свободы, наблюдаемой в специальном классе материалов и т.д. 

 

Экситоны — это электрически нейтральные квазичастицы, которые представляют собой электронные возбуждения в кристаллах полупроводников и диэлектриков. Они существуют только в полупроводящих и изолирующих материалах и обладают экстраординарными свойствами. Особенный интерес для исследователей представляют малоизученные тёмные экситоны.

 

“В целом, сами экситоны очень важны и интересны, так как с их помощью можно получать удивительные формы материи, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна. Конечно, есть возможность его получать и в других системах (пойманные холодные атомы), но это требует сверхнизких температур и очень сложного и дорогого оборудования, в то время как в полупроводниках, используя экситоны, конденсат получают даже при сравнительно высоких температурах”, — объясняет Вадим Шабашов, один из авторов исследования, студент 4 курса Алферовского университета направления “теоретическая физика”.

Для описания данного эффекта физики сначала исследовали модель феноменологически, то есть проанализировали уже изученные закономерности, определяющие взаимосвязь между различными явлениями. В первую очередь были рассмотрены работы коллег из России на тему экситонов в сильных и слабых полях, в том числе недавние статьи исследователей ФТИ им. Иоффе, где изложен аппарат описания асимметричного и симметричного рассеяния. Затем физики составили и решили полную квантовомеханическую задачу с помощью известных аналитических методов, а также с применением различных численных вычислений и симуляций. 

Результаты предположительно позволит отделять светлые и темные экситоны в полупроводнике и исследовать их индивидуально. В отличие от светлых экситонов тёмные сравнительно мало изучены, однако у них гораздо большее время жизни, поэтому они потенциально более интересны для исследователей.

 

“Обычно исследования проводятся со светлыми экситонами, а тёмными экситонами сложно управлять и контролировать их. Мы надеемся наше исследование позволит исследовать эти малоизученные, а потому загадочные тёмные экситоны и расширить эту предметную область. Теперь будет возможно выделять образцы чистого газа из тёмных экситонов и делать проводить с ними более детальные исследования. Экситоны являются отличной платформой для изучения целого класса коллективных квантовые явлений. Такие явления можно изучать и в системах холодных атомов, но это требует гораздо больше затрат времени, усилий и средств. А с экситонами это гораздо проще: недорого и возможно исследовать уже чуть ли не при комнатной температуре”, — уверен Валерий Козин, научный руководитель исследования, аспирант ИТМО, выпускник Алфёровского университета. 

 

Сейчас учёные рассматривают контакты с разными научными группами, которые могли бы проверить предложенный эффект экспериментально.

 

Данная работа будет основой бакалаврского диплома Вадима Шабашова и одной из нескольких публикаций, которые он успеет закончить до окончания учёбы.