
Os opostos se atraem. Este princípio mundano relativo às relações entre as pessoas nem sempre corresponde à realidade. Mas na física tudo é como dizem: cargas elétricas opostas, por exemplo, sempre atraem, e semelhantes se repelem. Este princípio é tão antigo quanto o próprio mundo, mas também pode estar sujeito a algumas modificações se outras leis e fenômenos físicos forem aplicados. Um grupo de cientistas da Universidade de Southampton (Reino Unido) conduziu um estudo no qual eles conseguiram criar um novo tipo de material chamado exciton ligado ao fóton. O mais saboroso é que os fótons se tornaram um elo de ligação entre elétrons carregados negativamente, que, segundo a lógica, deveriam ter sido repelidos. Como exatamente foram usados os fótons, quais são as características do átomo inventado,e em que áreas esse desenvolvimento pode ser usado? Aprendemos sobre isso com o relato de cientistas. Ir.
Base de pesquisa
Como já lembramos, cargas semelhantes (ou seja, idênticas: ++ ou - -) devem se repelir, e cargas opostas (ou seja, as opostas: + - / - +) devem se atrair. No entanto, a imagem dessa interação muda se você adicionar uma pitada de fótons, ou seja, partículas de luz. Nesse caso, acrescenta-se a influência do efeito fotoelétrico - a interação da luz e da matéria, quando a energia dos fótons é transferida para a matéria.
Neste trabalho, os cientistas criaram um nanodispositivo que captura elétrons em poços quânticos em nanoescala *... Se os fótons trazem muita energia para o dispositivo, isso leva à saída de elétrons do poço. Ao colocar este dispositivo entre dois espelhos de ouro, os fótons podem ser capturados. Isso concentrará a energia dos fótons nos elétrons, aumentando a interação entre a luz e a matéria. A adição de espelhos fez com que os elétrons carregados negativamente permanecessem no poço (sem espelhos, os fótons os expulsavam do poço) e começaram a se ligar uns aos outros.
Poço quântico * é um poço de potencial que limita a mobilidade das partículas de três a duas dimensões (ou seja, as partículas começam a se mover em uma camada plana).O papel mais importante no desempenho de todo o sistema é desempenhado naturalmente pelos poços quânticos descritos acima (QW do poço quântico ). Existem várias razões para isso, dizem os cientistas.
Em primeiro lugar, o QW permite obter uma maior força da conexão entre a luz e a matéria, que pode ser regulada pela alteração da densidade do elétron * em QW.
Densidade de elétrons * - na mecânica quântica, uma medida da probabilidade de um elétron ocupar um elemento infinitamente pequeno do espaço em torno de qualquer ponto convencional.Em segundo lugar, os poços quânticos podem ser estreitos o suficiente para obter uma sub-banda eletrônica localizada, que não terá nenhuma transição entre as sub-bandas.
Terceiro, em tal sistema, a interação de Coulomb não cria estados vinculados.
Dos dois últimos pontos segue-se que poços quânticos puros sem um ressonador fotônico circundante não representam qualquer ressonância discreta, mas apenas uma banda de absorção contínua em frequências que excedem o limiar de ionização.
A ausência da interação de Coulomb é justificada pela dispersão quase paralela das duas sub-bandas de elétrons, o que leva a uma interação elétron-buraco repulsiva * .
Interação elétron-buraco * (interação pn) - a área de contato de duas partículas com diferentes tipos de condutividade - buraco (p de positivo - positivo) e eletrônico (n de negativo - negativo).Isso é muito diferente dos casos de transições entre bandas em comprimentos de onda mais curtos, onde a interação elétron-buraco é atraente e leva à criação de ressonâncias estreitas fora do continuum elétron-buraco na ausência de efeitos de polariton.
Assim, a formação de polaritons * pode alterar as ressonâncias existentes, mas não leva à criação de novas ressonâncias eletrônicas localizadas.
* — , ( , , , ..).

№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d- a sub-banda de elétrons inicialmente preenchida tem uma massa efetiva positiva, e o mapeamento elétron-orifício leva a um orifício carregado positivamente com uma massa efetiva negativa.
As imagens acima são um esquema do fenômeno acima. No caso de transições entre bandas em poços quânticos não dopados, os elétrons que participam da transição ocupam inicialmente a banda de valência com massa efetiva negativa. No entanto, no caso de transições entre sub-bandas em poços quânticos dopados, o mesmo papel é desempenhado pela primeira sub-banda de condução parcialmente preenchida, que tem uma massa efetiva positiva * . No mapeamento de elétron-buraco convencional, isso resulta em um buraco carregado positivamente com massa efetiva negativa.
* — , .A massa efetiva de elétrons na sub-banda excitada m 2 em poços quânticos de GaAs é maior do que a massa na primeira sub-banda m 1 . Isso leva a uma massa negativamente reduzida do par elétron-buraco entre as sub-bandas m r -1 = m 2 -1 - m 1 -1 .
Na presença de qualquer potencial atrativo de dois corpos, a massa negativa leva a uma interação repulsiva elétron-buraco, que, por sua vez, não pode criar estados vinculados.
Para confirmação prática da presença de estados ligados mediados por fótons, foi criado um sistema que consiste em 13 poços quânticos GaAs / AlGaAs embutidos em ressoadores de microcavidades de ouro com grade estreita.

Imagem nº 2: diagrama da configuração experimental. 2à - distribuição da componente do campo elétrico, ortogonal às camadas metálicas, por um período (D) da estrutura e pelo modo TM02 do ressonador fita; 2b - microscopia de um conjunto de amostras; 2c - Configuração experimental usada para medições de refletância (um microscópio de infravermelho médio conectado a um espectroscópio FTIR.
Os ressonadores são fitas unidimensionais e o campo eletromagnético (diagrama 2a ) está quase completamente contido sob os pinos de metal.
As dimensões dos poços quânticos eram finas o suficiente para ter apenas uma sub-banda de condução presa, uma vez que a presença da segunda sub-banda levaria à criação de polaritons intersubband.
Se houvesse duas subzonas, a presença de uma transição ligação-ligação levaria à saturação da força do oscilador disponível, o que levaria à supressão da transição ligação-continuum, que deve ser estudada neste teste.
Para verificar este importante parâmetro, duas amostras HM4229 e HM4230 foram confeccionadas, diferindo na largura do poço quântico e dopagem. A amostra HM4229 continha poços quânticos de GaAs com 4 nm de espessura (com uma largura L QW = 4 nm), cada um dos quais foi dopado com uma densidade de 5 × 10 12 cm -2 . E a amostra HM4230 continha poços quânticos (L QW= 3,5 nm) dopado em 4,77 x 10 12 cm -2 .

Imagem nº 3: natureza contínua de acoplamento da transição óptica em QW puro sem um ressonador fotônico circundante. 3à - medição de transmissão a 300 K para amostras com QW de largura diferente L QW ; 3b - 3e são esquemas de transição de ligação ( 3b e 3c ) e de ligação contínua ( 3d e 3e ) em poços quânticos dopados.
-* — , , , () , .Os diagramas 3b - 3f mostram que as transições de diferentes tipos (ligação-ligação e ligação-continuum) em diferentes estados de partícula única do potencial QW sofrem deslocamentos de frequência opostos com L QW decrescente : os primeiros têm um deslocamento para o azul * , os últimos têm um deslocamento para o vermelho * .
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
O deslocamento para o azul * é um fenômeno quando o comprimento de onda da radiação diminui e a frequência aumenta.Isso tornou possível avaliar a natureza da transição óptica, analisando o espectro de transmissão de duas amostras antes de usar ouro ( 3a ).
Redshift * é um fenômeno em que o comprimento de onda da radiação aumenta (a luz fica mais vermelha, por exemplo) e a frequência e a energia diminuem.
Uma absorção muito ampla é observada aqui, a qual (sendo polarização magnética transversal) está associada a poços quânticos dopados. Uma região mais estreita de cerca de 140 meV também é observada, que é a borda do continuum. Os cientistas observam que esta função não leva a um deslocamento para o azul com a diminuição de L QW , mas mostra a transferência do peso espectral para a parte vermelha do espectro. A transição ligação-ligação levaria então a um deslocamento para o azul da ordem de dezenas de milieletronvolts, provando a natureza ligada ao contínuo das transições em QWs puros.
Conforme mencionado anteriormente, todas as amostras foram fabricadas dentro de uma estrutura de metal semicondutor e pinos de metal com largura p ( 2a e 2b ). Como o campo eletromagnético é extremamente localizado sob os dedos de metal, o sistema se comporta essencialmente como um ressonador Fabry-Perot * .
O ressonador Fabry-Perot * é um ressonador óptico no qual espelhos paralelos são direcionados um para o outro. Uma onda óptica ressonante permanente pode se formar entre esses espelhos.Vários dispositivos foram fabricados com base em grades com área de 200 x 200 μm com degrau na faixa de 800 nm a 5 μm, o que permite cobrir uma ampla faixa de frequência ( 2b ). Os dados de refletância foram obtidos para cada dispositivo a 78 K usando um espectroscópio FTIR equipado com um criostato muito compacto ( 2c ).

Imagem nº 4: dados experimentais de refletividade. 4à - dados sobre a refletividade da amostra dopada HM4229 dependendo da frequência do ressonador; 4b - dados de refletância para HM4229 (vermelho) e um ressonador puro (verde) para frequências ω = 157,8 meV (linhas sólidas), ℏω = 147 meV (linhas tracejadas) e ℏω c = 141,5 meV (linhas tracejadas ); 4c - largura de linha para várias vibrações em função da energia vibracional.
Os resultados desta análise são apresentados nos gráficos acima. A Figura 4a mostra um mapa da refletância da amostra HM4229 a 78 K em função da frequência do ressonador puro. Se um contínuo de absorção for observado acima do limiar de ionização (mostrado por uma linha pontilhada horizontal preta), então uma ressonância polariton estreita aparecerá abaixo. É desviado para o vermelho em mais de 20 meV em relação a um ressonador puro.
As frequências de pico foram plotadas em um mapa de cores usando vários ajustes de dados Lorentz. Os triângulos vermelhos e os quadrados azuis representam as frequências abaixo e acima do limiar de ionização identificado, respectivamente. Para comparação, os círculos verdes marcam a frequência de um ressonador puro medido em uma amostra não dopada.
Abaixo do limite de ionização, a vida útil de um modo polariton discreto é principalmente limitada pela vida útil da cavidade. Acima, há um espectro de continuum de comunicação, no qual apenas características muito estendidas e indefinidas podem ser identificadas.
A comparação dos espectros de amostras dopadas e não dopadas mostrou que uma ressonância discreta ocorre na amostra dopada abaixo da borda do contínuo, enquanto em uma amostra idêntica, mas eletromagneticamente não ligada, isso não ocorre.
Tal estado discreto híbrido pode ser descrito como um polariton, cuja densidade de elétrons em relação ao estado fundamental é:
∆N (z) = P [| Ψ e (z) | 2 - | Ψ g (z) | 2 ]onde P (na faixa de 0 ... 1) é o peso do componente polariton da matéria; Ψ g (z) é a função de onda normalizada de um elétron em seu estado fundamental; Ψ e (z) é a função de onda de um estado eletrônico localizado gerado pela interação da luz e da matéria.

Imagem No. 5: cálculos P. 5 - modos próprios obtidos usando um modelo teórico com parâmetros selecionados para coincidir com os dados de refletância experimental no mapa de cores; 5b são parâmetros extraídos de 5a que são usados para calcular P para o modo polariton discreto.
Às 5ao resultado do uso do modelo teórico para modelar o espectro de refletância observado e compará-lo com dados experimentais é exibido visualmente. Esses parâmetros permitiram o cálculo de P ( 5b ).
Conclui-se desse modelo que a ressonância discreta abaixo do limiar de ionização é claramente definida para valores diferentes de zero de P, demonstrando um preenchimento significativo da função de onda do elétron Ψ e (z) gerada pela luz .
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório de cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
Este experimento permitiu demonstrar a possibilidade de acoplar uma transição ionizante com um ressonador fotônico, o que leva a uma modificação não perturbativa da estrutura eletrônica do sistema.
O resultado é uma excitação polariton híbrida, cujo componente material é um estado ligado gerado pela interação da luz e da matéria, consistindo de um elétron e um buraco, mantidos juntos devido à sua interação com um campo eletromagnético transversal.
Segundo os cientistas, a capacidade de sintonizar as propriedades de um material devido à conexão com o campo de fótons de uma microcavidade é uma direção extremamente promissora.
Nesse trabalho, eles conseguiram criar um dispositivo, limitado em dois lados por espelhos dourados, que captava fótons e focalizava a energia da luz nos elétrons, o que fortaleceu dramaticamente a conexão entre luz e matéria. No decorrer dos experimentos, percebeu-se que um elétron com carga negativa ejetado por um fóton permanece preso em um poço quântico, associado a outros elétrons com carga negativa. Além disso, essa configuração permanece estável devido à ação dos fótons.
Em outras palavras, este estudo mostra a possibilidade de criação de um novo tipo de átomo artificial, cujas configurações eletrônicas podem ser personalizadas à vontade.
A fotônica é um ramo da ciência bastante jovem, mas ao mesmo tempo sua influência está crescendo a cada ano, devido a esse tipo de pesquisa. A luz, como muitos outros fenômenos, pode ser comparada ao gato de Schrödinger: por um lado, tudo é claro e óbvio, mas se você cavar mais fundo, uma verdade simples se torna óbvia - não importa quantas respostas uma pessoa receba, sempre haverá mais perguntas. No entanto, na busca de respostas para perguntas, pelo menos em ciência, não é tanto a resposta em si que importa, mas o caminho que leva a ela.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)
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