На гибридной волне

Что такое квазичастицы и какими они бывают

Марат Хамадеев

Полезная условность

Квазичастицы — это замечательное изобретение теоретиков для решения, на первый взгляд, нерешаемых задач об элементарных возбуждениях в системах с большим числом атомов. В первую очередь это касается физики конденсированного состояния, где число тел в задаче имеет авогадровый масштаб. Вместо того чтобы учитывать движение всего этого полчища, теоретики вводят условные (оттого они и «квази») частицы и описывают c их помощью нужные коллективные возбуждения системы, способные переносить энергию и импульс, а все остальное отбрасывают. Впервые на возбуждения как на квазичастицы взглянул в середине XX века Лев Ландау, работая над проблемой поведения жидкого гелия-3 ( https://physicsworld.com/a/ultracold-atoms-permit-direct-observation-of-quasiparticle-dynamics/ ).

Важно помнить, что квазичастицы существуют строго постольку, поскольку есть среда, в которой они возбуждаются, и свойства среды неизменны. Их можно сравнить с солнечными зайчиками: световое пятно кажется нам единым объектом, хотя на самом деле создается множеством различных отраженных лучей. Благодаря этому на него не действуют ограничения, накладываемые специальной теорией относительности ( https://www.nkj.ru/archive/articles/5459/ ), — и, да, это значит, что солнечные зайчики могут двигаться быстрее скорости света. Точно так же, например, электроны проводимости — отрицательно заряженные квазичастицы в металлах и полупроводниках — могут обладать отрицательной массой, что не свойственно реальным частицам.

Уподобление чего-нибудь частицам — это не только хороший способ математически описывать элементарные возбуждения, но и представлять их себе. Следом за Ландау такой «партикуляризацией» стали заниматься и все остальные физики, что способствовало крайне плодотворному применению методов квантовой теории поля к физике конденсированного состояния, где на смену диаграммам Фейнмана ( https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D1%8B_%D0%A4%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0 ) пришли диаграммы Келдыша ( https://ufn.ru/ru/articles/2015/12/b/ ) .

Как бы фотоны

В современном физическом мире много квазичастиц. Про некоторые из них мы уже рассказывали с помощью картинок с котами, но это лишь малая часть того, что придумали физики. Вообще говоря, квазичастицей следует называть любое возбуждение, отличное от возбуждений фундаментальных квантовых полей Стандартной модели ( https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C ), даже если оно их в себя вовлекает.

Типичный пример — прохождение света через прозрачную среду. Со школы мы знаем, что луч преломляется и для описания этого явления вводят соответствующий показатель. В университетском курсе физики можно познакомиться с более детальным, хотя и классическим описанием этого процесса: атомные осцилляторы под действием падающей волны превращаются во вторичные источники, которые переизлучают свет с определенной задержкой, что влияет на фазовую и групповую скорости световой волны.

Чтобы описать его на языке квантовой механики, проще всего обратиться к фейнмановскому принципу суперпозиции. Он гласит, что если событие может произойти несколькими альтернативными способами, то нужно учесть их все в виде некоторой суммы амплитуд вероятности.

В нашем случае квант света встречает на своем пути атом среды, и он может:

1) рассеяться или переизлучиться;

2) просто пролететь дальше, безо всякого взаимодействия.

В результате волновая функция нашего фотона будет определяться суперпозицией начальной и переизлученной волн, то есть станет искаженной. Стоит отметить, что без резонанса константа связи между атомом и фотоном очень мала, поэтому вклад второго члена в общую сумму практически не заметен. Но если атомов на пути фотона много, то их суммарный эффект может быть ощутимым.

Можно было бы честно выписать гигантскую сумму по всем атомам на пути света, но физики поступили проще: они ввели квазичастицу под названием «поляритон» и сказали, что дальше будут описывать его движение сквозь пустоту (тоже абстрактное понятие). Примечательно, что для разреженных газов искажения волны, вызванные взаимодействием с атомами, довольно малы. В большинстве задач для их описания зачастую достаточно ввести один лишь показатель преломления. Из-за этого в быту физики очень часто продолжают называть такой поляритон фотоном. Порой можно услышать, как физики называют «фотонами» кванты света, летящие сквозь плотные прозрачные среды, например стекло или воду. На самом деле эти частицы никакие не фотоны. Это поляритоны.

Но если световая энергия резонансно поглощается средой, о фотонах в ее толще уже никто не говорит. Более того, поляритоны в такой среде бывают разные. Это зависит от того, как именно они возбуждают среду своим присутствием. Больше всего «повезло» твердым телам: в них поляритоны могут быть экситонными, плазмонными, фононными и так далее.

Экситон-поляритоны

Теоретики нередко собирают новые квазичастицы из старых, и экситон-поляритоны иллюстрируют эту практику как нельзя лучше.

Движение электрона по металлу или полупроводнику постоянно сопровождается его дифракцией на периодической кристаллической решетке. Как и в случае с квантом света, который в твердом теле стал поляритоном, теоретики придумали специальную квазичастицу для описания таких ситуаций — электрон проводимости. Он отличается от свободного электрона даже больше, чем поляритон в газе от фотона, но и здесь слово «проводимость» часто опускают, говоря просто об электронах.

Электроны, мечущиеся по решетке полупроводника, остаются фермионами, и их энергии заполняют целую область на энергетической шкале — валентную зону. Если в полупроводнике возбудить электрон и перевести его из валентной зоны в зону проводимости, то освобожденная им «дырка» также приобретает свойства частицы, с массой и отрицательным зарядом. Она даже способна самостоятельно мигрировать по среде, подобно пустому квадратику в пятнашках. Такие квазичастицы так и называют — дырками (electron hole).

А дальше начинается самое интересное. Встретившиеся электрон проводимости и дырка, помимо рекомбинации с испусканием света, способны образовать связанное атомоподобное состояние, немного напоминающее не атом водорода, а скорее позитроний — связанную пару электрона с позитроном ( https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B7%D0%B8%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B9 ). Такие пары называют экситонами, и благодаря разнообразным свойствам эти квазичастицы очень популярны в целом ряде областей, начиная от оптоэлектроники и заканчивая квантовыми симуляциями. Экситоны — это бозоны, и физики даже смогли получить из них конденсат.

Но и это еще не все. Экситон можно возбудить фотоном и получить еще одну квазичастицу — экситон-поляритон. На практике для этого обычно требуются тонкие пленки полупроводника, а световая волна должна быть усилена с помощью микрорезонатора.

Об экситон-поляритоне можно думать как о длинной последовательности поглощения энергии световой моды и рекомбинации экситона. Но поскольку мы хотим представлять все волновые процессы в виде частиц, то экситон-поляритон получается частицей, которая находится в суперпозиции двух энергетических форм: световой и материальной. Поэтому экситон-поляритоны иногда называют гибридными частицами, а соответствующую область исследований — гибридной фотоникой.

Особенность этих бозонных квазичастиц состоит в том, что их эффективная масса может быть в миллиарды раз меньше, чем массы атомов. Согласно теории Бозе и Эйнштейна, критическая температура конденсации обратно пропорциональна этой массе. Следовательно, конденсат экситон-поляритонов можно увидеть при комнатной температуре, что впервые сделали в 2007 году. Подробнее об истории этого открытия вы можете узнать из интервью Алексея Кавокина в материале «Квантовые кентавры».

Сконденсированные экситон-поляритоны демонстрируют свойства сверхтекучести, поэтому их часто называют «жидким светом». Это позволяет исследовать множество необычных явлений, например квантовые вихри, создать поляритонный лазер и даже кубит для квантового компьютера. А некоторое время назад мы рассказывали, как группа физиков из Германии, России и Швейцарии под руководством Антона Заседателева (Anton Zasedatelev) и Павлоса Лагудакиса (Pavlos Lagoudakis) из Сколковского института науки и технологий реализовала эксперимент, который продемонстрировал однофотонную нелинейность экситон-поляритонного конденсата при комнатной температуре. В этой работе количество возникающих квазичастиц существенно вырастало всего от одного фотона накачки.

Подробнее об этом можно узнать из интервью N + 1 с самим Павлосом Лагудакисом, лауреатом премии «Вызов» 2023 года в номинации «Прорыв» за передовые исследования в области создания вычислительных устройств на основе поляритонов и разработку оптического транзистора.

(Продолжение следует).

Источник: ru.wikipedia.org

Комментарии: