Only Perception: 半導體中的「量子微滴」

2014-03-03

半導體中的「量子微滴」

Physicists discover 'quantum droplet' in semiconductor
http://phys.org/news/2014-02-physicists-quantum-droplet-semiconductor.html

2014.02.27

JILA 物理學家利用一種超快雷射以及德國理論學家的幫助，發現一種半導體準粒子（semiconductor quasiparticle） -- 一些較小的粒子，那短暫地凝聚成液體般的微滴（droplet）。

準粒子由小型粒子組成，能在固態材料內被創造出來，而且以一種可預測的方式一同作用。一個簡單的例子是激子（exciton），一種因靜電力（庫倫力）而產生的成對電子與「電洞」。電洞是材料能量結構中電子應該出現，但沒有出現的地方。

這種新的準粒子（在 2014 年 2 月 27 日的 Nature 期刊中描述，同時成為當期封面）是電子與電洞的微小複合體（complex），不過卻是一種新的、未成對的排列。研究者稱此為「量子微滴（quantum droplet）」，因為它具有量子特徵，例如：有次序的能階，但同時也有一些液體的特徵，例如，它具有「漣漪」。它與熟悉的液體，如水，有所不同，因為量子微滴的尺寸有限，超過了，電子與電洞之間的關係就會消失。

雖然它的壽命只能維持稍縱即逝的 25 皮秒（picoseconds，10^-12 秒），不過這種量子微滴的穩定性足以讓研究者明白光如何與特定形態的物質進行交互作用。

"電子-電洞微滴已知會出現在半導體中，不過它們通常包含幾千到幾百萬個電子與電洞，" JILA 物理學家 Steven Cundiff 表示，他研究尖端雷射的特性，以及它們會揭開何種物質的面紗。"在此，我們將探討大約有 5 個電子與 5 個電洞所構成的微滴。"

"考慮到實際利益，沒人會想要打造量子微滴小工具（widget）。不過就改善我們對於電子在各種情況下（包括光電裝置）如何進行交互作用的理解來說，確具有非直接利益。"

JILA 團隊利用超快紅光雷射（每秒一億次脈衝）刺激一砷化鎵半導體。此脈衝最初形成激子。雷射強度逐漸增加時，會創造出更多電子-電洞對，當激子密度達到一定程度時，量子微滴就會形成。在那種情況下，成對消失了，而且一些激子會佔據與特定電洞有關的位置。帶負電荷的電子與帶正電的電洞創造出中性的微滴。因為來自周遭電漿的壓力，微滴像泡泡一樣會短暫地聚在一起。

各微滴環的能階實驗資料與德國 Marburg 大學的共同作者的理論性計算相符。JILA 研究者發現，藉由調整雷射脈衝的量子特性使之與微滴內的粒子相關，他們能發覺每一個能階。這些微滴看起夠穩定，足供未來系統性研究「光」與「高度相關的物質狀態」間的交互作用。此外，準粒子一般來說都具有無法在其組成部分中找到的奇異特性，也因而能在更大系統與裝置的行為控制中扮演某種角色。

※ 相關報導：

＊ Quantum droplets of electrons and holes
http://www.nature.com/nature/journal/v506/n7489/full/nature12994.html