Путем бомбардировки сверхтонкого полупроводникового сэндвича 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 скрытого оружия.

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 онлайн 4 февраля 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 сэндвич 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 их положительно заряженные дыры, которые диффундируют и дрейфуют в материале, как вы определяете газ», — сказал 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 — тогда 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 капелька, а не как газ».

«Что нас действительно удивило, так это то, что это произошло при комнатной температуре», — сказал он. «Ранее исследователи, создавшие такие электронно-дырочные жидкости, могли делать это только при более низких температурах, чем даже в глубоком космосе».

По словам Габора, 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 кожи и зубных полостей из-за их ограниченного проникновения и способности разрешать различия в плотности. Точно так же волны можно использовать для обнаружения дефектов в таких продуктах, как таблетки с наркотиками, и для обнаружения оружия, скрытого под одеждой.

Терагерцовые передатчики и приемники могут также использоваться для более быстрых систем связи в космическом пространстве. По словам Габора, жидкость с электронными дырками может стать основой для квантовых компьютеров, которые могут быть намного меньше, чем используемые в настоящее время схемы на основе кремния.

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

В дальнейших исследованиях электронно-дырочных «нанопад» ученые будут изучать их свойства жидкости, такие как поверхностное натяжение.

«Прямо сейчас мы не имеем ни малейшего представления, насколько жидкой является эта жидкость, и было бы важно выяснить», — сказал Габор.

Габор также планирует использовать эту технологию для изучения основных физических явлений. Например, охлаждение электронно-дырочной жидкости до сверхнизких температур может привести к ее превращению в «квантовую жидкость» с экзотическими физическими свойствами, которые могут раскрыть новые фундаментальные принципы материи.

В своих экспериментах исследователи использовали две ключевые технологии. Для создания ультратонких сэндвичей из дителлурида молибдена и графена углерода они использовали технику, называемую «упругая штамповка». В этом методе липкая полимерная пленка используется для захвата и укладки толстых атомов графена и полупроводника.

И для накачки энергии в полупроводниковый сэндвич, и для визуализации эффектов они использовали « многопараметрическую динамическую фотоответную микроскопию », разработанную Габором и Арпом. В этом методе лучи сверхбыстрых лазерных импульсов управляются для сканирования образца для оптического отображения генерируемого тока.