Các exciton tối rọi ánh sáng mới lên vật chất

Lần đầu tiên, một nhóm nghiên cứu ở Monash đã khám phá ra các hiệu ứng đầy đủ của các tương tác giữa các exciton-polariton và các vùng chứa exciton tối liên quan.

Trái: thiết bị bao gồm một bán dẫn 2D giữa hai gương, polariton màu tía, và exciton tối màu đỏ hoặc xanh lam phụ thuộc vào spin. Hiệu ứng của các exciton tối có thể được gói gọn trong polaron, vòng tròn nét đứt trắng. Phải: Phổ truyền động đạt được. Nguồn: FLEET

Nghiên cứu này, “Polaronic polariton quasiparticles in a dark excitonic medium”, đã được xuất bản trên Physical Review B 1.

Các exciton-polariton (hay các polariton) là những hỗn hợp lai của ánh sáng và vật chất được thừa hưởng các đặc tính của cả hai bên. Chúng được hình thành trong các bán dẫn được xếp giữa hai tấm gương, qua đó chiếu ra một tia laser.

“Các polariton nắm bắt các đặc tính hữu dụng của cả vật chất và ánh sáng”, tác giả thứ nhất Kenneth Choo nói. “Phần ‘vật chất’ của chúng là ở chỗ chúng ta có thể điều khiển chúng thông qua các tương tác của chúng. Phần thuộc về ‘ánh sáng’ khiến cho các polarition hầu như không có khối lượng, dẫn đến việc hình thành một chất ngưng tụ siêu chảy có thể tự chảy một cách dễ dàng”.

“Đặt chúng cạnh nhau, và một dạng mới của ‘ánh sáng lỏng’ mà chúng ta có thể điều hướng và kiểm soát đã được hình thành, một nền tảng cơ bản tiềm năng cho tính toán thế hệ mới sử dụng ánh sáng để xây dựng các mạch dẫn”, Kenneth, nghiên cứu sinh ở Monash, giải thích.

Nhưng cũng như tương ứng với mỗi vật chất âm là một vật chất dương, vì vậy với đối xứng tối của polariton là một exciton tối.

Các exciton tối không kết cặp với ánh sáng nhưng vẫn có thể tương tác với các polariton.

“Bất cứ khi nào các polariton được hình thành trong các thí nghiệm, chúng có xu hướng kèm theo một vùng các exiton tối bền vững, vốn được hình thành cùng với chúng. Sự thật là chúng là tối nên điều đó có nghĩa là vô cùng khó để thấy hiệu ứng thực của chúng”, giáo sư Meera Parish, tác giả liên hệ của bài báo, nói.

Một kỹ thuật nổi tiếng cho trường hợp này

Giả hạt (quasiparticle).

Các nhà nghiên cứu ở Monash sử dụng một khung đã biết là lý thuyết chất lỏng Fermi 2 để giải thích hiệu ứng của vùng tối lên những polariton sâng. Ý tưởng cốt lõi là lập sơ đồ của (nhiều, rất nhiều) các tương tác có thể trên một ‘giả hạt’ (quasiparticle) – một với các khối lượng, năng lượng và thời gian sống khác so với hạt thông thường. Điều này cho phép hệ nhiều hạt được đối xử như thể chúng là một hạt. Một trong số giả hạt là polaron, vốn có thể được cho là ‘vùng ảnh hưởng’ quanh hạt thông thường.

Bằng việc sử dụng kỹ thuật này và việc bao gồm các tương tác hai hạt có thể, họ tìm thấy polariton sáng trở nên “tươi mới” bằng các excitation của môi trường tối, hình thành một giả hạt mới gọi là polaron polariton.

Về mặt vật lý, điều này chứng tỏ một sự suy giảm cường độ của việc kết cặp ánh sáng – vật chất khi mật độ exciton tối gia tăng, một hiệu ứng chung trong thực nghiệm.

Tương phản với điều đó, cường độ của các tương tác giữa các vùng tối và các polariton lại gia tăng, đặc biệt khi các spin của vùng tối và polariton khác nhau. Hiệu ứng này có thể trở nên mạnh hơn khi một giả hạt được tạo ra – polariton excitation kép – vốn liên kết với trạng thái biên của hai exciton có spin ngược nhau.

Hiện tượng này được gọi là cộng hưởng Feshbach, lần đầu được quan sát trong các khí nguyên tử siêu lạnh, và thường hứa hẹn về khả năng đưa cường độ tương tác thành những thứ giá trị mong muốn. Vậy có thể tạo ra các ‘đỉnh’ và ‘thung lũng” vùng chứa đủ sức hướng dòng chảy của chất ngưng tụ polariton và sau đó thay đổi chúng bằng một công tắc (laser) không.

Điều gì xảy ra tiếp theo?

Nghiên cứu này mở ra những cơ hội mới cho lĩnh vực kỹ thuật. Đã có thực nghiệm được thiết kế, trong đó sử dụng vùng tối để bẫy và hội tụ các polariton sáng, và nghiên cứu chứng tỏ cách vùng này có hể được sử dụng để thay đổi một cách cơ bản chính các polariton.

Hơn nữa, nghiên cứu này cũng đem lại một cái nhìn mới vào những kết quả cũ – bằng việc xem xét ảnh hưởng mà đến nay vẫn còn chưa được biết đến của vùng tối, giúp đạt được một xác quyết về cường độ tương tác chính xác hơn.

Bội Linh tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-06-dark-excitons.html

https://www.nation.lk/online/dark-excitons-shed-new-light-on-matter-267950.html

——————————————–

1.https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.195432

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi_liquid_theory#:~:text=Fermi%20liquid%20theory%20(also%20known,metals%20at%20sufficiently%20low%20temperatures.

Tác giả