קוואזי-חלקיקים חדשים של מוליכים-למחצה

התגלית משפרת את הבנתנו באשר ליחסי-הגומלין שבין אלקטרונים במגוון מצבים, לרבות הבנת התנהגותם בתוך התקנים אופטו-אלקטרוניים.

פיזיקאים עשו שימוש בלייזר רב-מהירות על מנת לחשוף קוואזי-חלקיקים חדשים של מוליכים-למחצה – חלקיקים המתגבשים עד מהרה לטיפונת דמוית נוזל. התגלית משפרת את הבנתנו באשר ליחסי-הגומלין שבין אלקטרונים במגוון מצבים, לרבות הבנת התנהגותם בתוך התקנים אופטו-אלקטרוניים.

פיזיקאים מהמכון המשולב לאסטרופיזיקה מעבדתית (JILA) בארה”ב עשו שימוש בלייזר רב-מהירות על מנת לגלות קוואזי-חלקיקים חדשים של מוליכים-למחצה היוצרים בסופו של דבר טיפונת נוזלית. קוואזי-חלקיקים מורכבים מחלקיקים קטנים יותר המתקבלים בתוך חומרים מוצקים ויכולים להתנהג באופן שניתן לצפות אותו מראש. דוגמה קטנה הינה אקסיטון (exciton), הצמד המורכב מאלקטרון ומ”החור” ממנו הוא הגיע, המהווה נישה במבנה האנרגיה של החומר שבו אמור היה להיות האלקטרון, אך הוא נעדר משם.

 

באותו הנושא באתר הידען:

• לקראת כנס ננו-ישראל 2014: 206 סטארטאפים חדשים קמו בשש השנים מאז הוכרז תחום הננו-טכנולוגיה כפרויקט לאומי
• מה בין גרפן לבין מחשוב קוונטי?
• נאס”א וגוגל מתכוונות להשתמש במעין מחשב קוונטי

 

הקוואזי-חלקיקי החדש, שתואר במאמר שפורסם בתאריך 27.02.2014 בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature, הינו תצמיד מיקרוסקופי של אלקטרונים וחורים במערך בלתי-מזווג וחדשני. החוקרים מכנים את המצב החדש הזה בשם “טיפונת קוונטית” (“quantum droplet”) מאחר והוא בעל מאפיינים קוונטיים מוכרים, כגון רמות אנרגיה מסודרות ביותר, אולם הוא גם בעל מספר מאפיינים של נוזל. המצב, לדוגמה, יכול ליצור גלים, בדומה לנוזל. המצב שונה מנוזלים רגילים, למשל מים, מאחר והטיפונת הקוונטית הינה בעלת גודל סופי, שמחוצה לו הקשר שבין האלקטרונים והחורים נעלם לו. למרות שזמן החיים של המצב החדש קצר במיוחד ועומד על 25 פיקו-שניות (טריליונית השנייה), הטיפונת הקוונטית יציבה מספיק בכדי שהחוקרים יוכלו לחקור כיצד אור המוקרן עליה מגיב עם צורות מיוחדות אלו של חומר.

“טיפונות של אלקטרון-חור ידועות בחומרים מוליכים-למחצה, אולם הן בדר”כ כוללות אלפי מיליונים של אלקטרונים וחורים,” מסביר הפיזיקאי Steven Cundiff. “במקרה החדש אנו מדברים על טיפונות בעלות חמישה אלקטרונים וחמישה חורים בלבד.” החוקרים יצרו את הקוואזי-חלקיק החדש באמצעות עירור של חומר מוליך-למחצה מסוג גאליום-ארסניד בעזרת לייזר אדום רב-מהירות המוקרן בתדירות של 100 מיליון פעימות לשנייה. בשלב הראשון הלייזר יוצר אקסיטונים, הנעים בתוככי המוליכים למחצה. ככל שעוצמת הלייזר מתגברת, נוצרים עוד ועוד זוגות של אלקטרון-חור והטיפונות הקוונטיות נוצרות כאשר צפיפות האקיסטון מגיעה לערך סף. בנקודה זו הצימוד נעלם ומספר אלקטרונים מתמקמים במערך ספציפי ביחס לחור נתון. הטיפונות מתנהגות כמו בועות המוחזקות יחדיו ע”י לחץ המגיע מהפלזמה האופפת אותן.

נתוני הניסויים שקיבלו החוקרים בנוגע לרמות האנרגיה של טיפונת פרטנית התאימו לחישובים התיאורטיים שנעשו עוד קודם לכן. החוקרים גילו כי הם יכולים להשפיע על כל רמת אנרגיה בעזרת שינוי התכונות הקוונטיות של פעימות הלייזר. נראה על פניו כי הטיפונת מספיק יציבה לשם ביצוע מחקרים שוטפים עתידיים באשר ליחסי הגומלין בין קרינה לבין מצבי חומר מוגדרים במיוחד האצורים בתוכה. בנוסף, קוואזי-חלקיקים יכולים להיות בעלי תכונות אקזוטיות שלא קיימות בחומרים ידועים אחרים, ובזכות תכונות אלו לאפשר בקרה על ההתנהגות של מערכות והתקנים גדולים יותר.
הידיעה על המחקר