Физики создают экзотическую электронную жидкость

Путем бомбардировки сверхтонкого полупроводникового материала мощными лазерными импульсами физики из Калифорнийского университета в Риверсайде создали первую «электронную жидкость» при комнатной температуре.

Это достижение открывает путь для разработки первых практичных и эффективных устройств для генерации и обнаружения света на терагерцевых длинах волн — между инфракрасным светом и микроволнами. Такие устройства могут использоваться в таких разнообразных приложениях, как связь в космосе, обнаружение рака и сканирование скрытых веществ.

Исследование также может позволить исследовать основную физику материи в бесконечно малых масштабах и помочь вступить в эру квантовых метаматериалов, структуры которых спроектированы в атомных измерениях.

Физики UCR опубликовали свои результаты в журнале Nature Photonics. Их возглавлял доцент физики Натаниэль Габор, который руководит лабораторией оптоэлектроники квантовых материалов UCR. Другими соавторами были члены лаборатории Тревор Арп и Деннис Плескот, а также доцент кафедры физики и астрономии Вивек Аджи.

В своих экспериментах ученые построили ультратонкий материал из полупроводникового дителлурида молибдена между слоями графена углерода. Слоистая структура была чуть толще, чем ширина одной молекулы ДНК. Затем они бомбардировали материал сверхбыстрыми лазерными импульсами, измеряемыми в квадриллионных долях секунды.

«Обычно с такими полупроводниками, как кремний, лазерное возбуждение создает электроны и дырки, которые диффундируют и дрейфуют в материале, который вы определяете газ», — сказал Натаниэль Габор. Однако в своих экспериментах исследователи обнаружили признаки конденсации в эквивалент жидкости. Такая жидкость будет иметь свойства, напоминающие обычные жидкости, такие как вода, за исключением того, что она будет состоять не из молекул, а из электронов и дырок в полупроводнике.

«Мы увеличивали количество энергии, сбрасываемой в систему, и мы не видели ничего, ничего, ничего — и вдруг внезапно мы увидели формирование в материале того, что мы назвали «аномальным кольцом фототока», — сказал Габор. «Мы поняли, что это жидкость, потому что она росла как капля, а не как газ».

По словам ученых, электронные свойства таких капель позволят разработать оптоэлектронные устройства, которые работают с беспрецедентной эффективностью в терагерцовом диапазоне спектра. Терагерцовые волны длиннее инфракрасных волн, но короче микроволн, и в технологии использования таких волн существует «терагерцовая щель».

Терагерцовые волны могут быть использованы для обнаружения рака и зубных полостей из-за их ограниченного проникновения и способности фиксировать различия в плотности. Точно так же волны можно использовать для обнаружения любых скрытых дефектов.

Терагерцовые передатчики и приемники могут также использоваться для более быстрых систем связи в космическом пространстве. Кроме того, по словам ученых, «жидкость» может стать основой для квантовых компьютеров, которые могут быть намного меньше, чем используемые в настоящее время схемы на основе кремния.

В более общем смысле, такая технология могла бы послужить основой для создания «квантовых метаматериалов» с размерами атомного масштаба, которые позволяют точно манипулировать электронами, заставляя их вести себя по-новому.

Electron–hole liquid in a van der Waals heterostructure photocell at room temperature, Nature Photonics (2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0349-y , https://www.nature.com/articles/s41566-019-0349-y