2:30 ص
فيزياء الطبيعه
في الفيزياء الكمومية ، يمكن لإكسيتونات Rydberg ذات القيمة الرئيسية العالية أن تظهر تفاعلات قوية ثنائية القطب. ومع ذلك ، فإن polaritons (شبه جسيمات) مع مكون تثير في حالة متحمس ، والمعروفة باسم Rydberg exciton polaritons (REPs) لا يزال يتعين مراقبتها تجريبيا. في دراسة حديثة نشرت الآن على وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية (PNAS). لاحظ Wei Bao وفريق بحث متعدد التخصصات في أقسام الفيزياء والإلكترونيات ومركز العلوم والهندسة النانوية في المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) في الولايات المتحدة الأمريكية ، تشكيل REPs في تجويف واحد CsPbBr3 (بروميد الرصاص السيزيوم) في البلورة ؛ بدون أي حقول خارجية. وأشار الباحثون إلى أن البولاريتون يبدي سلوكًا غير خطي قوي ، مما يؤدي إلى تكثيف بولاريتون متماسك مع تحول أزرق بارز. كانت REPS في تجويف CsPbBr3 متباين الخواص بدرجة عالية (تظهر خواص مختلفة في اتجاهات مختلفة) مع نسبة انقراض كبيرة بسبب التركيب البلوري لتقويم العظام من البيروفسكايت.
التماسك الكمومي ممكن فقط في وجود تفاعلات قوية بين بوليتونات الإكسيتون بسبب مكوناتها المثيرة. ملاحظات باو وآخرون. يسلط الضوء على أهمية العديد من فيزياء الجسم في أنظمة polariton المتماسكة التي تنطوي على حالات متحمس من الدرجة العليا ويمهد الطريق لاستكشاف تفاعلات متماسكة إضافية. سوف تستفيد التحقيقات الإضافية من تقنيات معالجة المعلومات الكمومية ذات الحالة الصلبة.
الديناميكا الكهربية الكمومية ذات تجويف الحالة الصلبة (CQED) يمكن أن توفر تحكمًا استثنائيًا في تفاعلات المادة الخفيفة داخل مجموعة متنوعة من الهياكل الضوئية. بصرف النظر عن مجرد تعديل الكثافة الضوئية للحالات في نظام الاقتران الضعيف ، يمكن لـ CQED أيضًا تسهيل تكوين جسيمات شبه خفيفة جديدة من المادة الخفيفة الهجينة تُعرف باسم polaritons تجويف. يتم إنشاء بوليتونات التجويف في تجاويف أشباه الموصلات (MC) بسبب الاقتران القوي بين الإكسونات والفوتونات ، حيث يمكن أن يكون معدل الاقتران أسرع من معدلات تبديد المكونات. تمتلك الجسيمات شبه الصوتية كتلة فعالة صغيرة من مكونها الضوئي لتورث تفاعلات قوية من مكون الإكسيتون. سمح هذا المزيج بظواهر بصرية غنية مثل تكثيف polariton ، وفوهة فائقة ودوامات كمومية - على غرار تلك التي لوحظت في مكثفات Bose-Einstein ذات الذرة الباردة (BEC) ، على الرغم من ارتفاع درجات الحرارة. (A) تم تحديد زاوية PL المعتمدة على الطاقة لخريطة PL المأخوذة عند 0.05 Pth و 0.4 Pth و Pth و 1.4 Pth (من اليسار إلى اليمين). الإثارة هو 460 نانومتر ضوء الاستقطاب على طول قطري أ. تكون العينة أرق قليلاً وأكثر تفكيكًا بشكل إيجابي من الشكل 2. تم تحديد مجموعتي أوضاع Rydberg exciton-polariton المتعامدة بشكل لا لبس فيه وتشتت polariton باستخدام نفس نموذج المذبذب المقترن كما كان من قبل. يتم تراكب طاقة exciton غير المنفصلة وتشتت وضع تجويف الفوتون (خط متقطع) وتناسب تشتت polariton (الخط الصلب) مع خريطة PL. يمثل لون أرجواني وضع الاستقطاب على طول المحور ، بينما يمثل اللون الأبيض وضع الاستقطاب المتعامد على طول المحور b (الشكل 1 أ و ج). تظهر لوحة 1.4Pth نفس الملاءمة كما في Pth للتأكيد على التحول الأزرق فوق العتبة. يرجع الانحراف الصغير في التركيب ذي الزاوية العالية (sin high) لفرع polariton LPa و LPb عند Pth و 1.4 Pth إلى إعادة تكوين وضع التجويف عند العتبة. يختبر مكثف polariton عملية تكثيف غير طبيعية حيث يظهر LPb زيادة أسرع من حالة LPa منخفضة الطاقة بين الألواح الثانية والثالثة. ويرجع ذلك إلى تفاعل exciton أقوى على طول المحور ب. نظرًا لأن كثافة المضخة تقترب من كثافة التكثيف ، فإن LPa تشهد أخيرًا زيادة خطية مع تناثر محفز إلى أقل حالة LPa ، بينما لا تظهر LPb أي زيادة أخرى. (B) مؤامرة تسجيل الدخول لكثافة PL المدمجة لوضع LPa عند θ = 0 ° وعرض كامل بنصف أقصى (FWHM) من وضع LPa عند θ = 0 ° مقابل طاقة المضخة. لوحظ تضييق خطي وعرض خط من وضع polariton لأن شدة الإثارة تتجاوز عتبة التكثيف. وتظهر أشرطة الخطأ المناسب من معالجة البيانات في B – D. (C) مؤامرة تسجيل الدخول لكل من وضع LPa (النقطة الحمراء) ووضع LPb (النقطة الزرقاء) عند θ = 0 °. شدة PL ونسبة وضعين مقابل طاقة المضخة. (D) موقف الذروة PL لكل من وضع LPa (النقطة الحمراء) ووضع LPb (النقطة الزرقاء) عند θ = 0 ° مقابل طاقة المضخة. لوحظ تحول قوي في أوضاع polariton تحت العتبة بسبب تفاعلات exciton القوية واضطراب النظام المحتمل (39). بعد عتبة التكثيف ، ينتج تحول أزرق بارز في وضعي LPa و LPb عن تفاعل polariton-polariton وتفاعل polariton- الخزان. تنبأت النظرية بأن التحول الأزرق ساهم في تفاعل polariton الناتج عن 1s - exiton وهو مؤامرة في خط dot-dot-dash باللونين الأحمر والأزرق للإرشاد. القيمة المرصودة التجريبية أكبر من التقدير الناتج عن تفاعل 1s - exciton النقي. الائتمان: PNAS ، doi: 10.1073 / pnas.1909948116
إنه خارج نطاق العمل الحالي إنشاء نظرية أكثر تفصيلًا لمعايرة كثافة بولاريتون بدقة ، جنبًا إلى جنب مع التحليل الكمي لتفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب وتفاعلات ما بين الإكسيتون للحصول على تقدير أفضل لقوة التفاعل. ومع ذلك ، فإن الملاحظات التجريبية الحالية لـ REP مع التفاعلات المعززة تعد بمزيد من الاستكشاف لتفاعلات Rydberg في أنظمة الحالة الصلبة في المستقبل.
وبهذه الطريقة ، اكتشف We Bao وزملاؤه بشكل مدهش REPs في تجويف واحد من البيروفسكايت البلوري ، مما يوفر لهم تحكمًا متماسكًا في حالات الكم الدقيقة المرصودة. يؤدي تفاعل الإكسيتون القوي الجوهري والانكسار البصري في البيروفسكايت إلى ملاحظة ديناميكيات التكثيف المستقطبة. وعدت هذه النتيجة بحالة متماسكة عيانية قوية للتطبيقات الكمومية. يقدم الاكتشاف منصة فريدة لدراسة فيزياء الكم المتماسكة للعديد من الجسم للسماح بالتلاعب غير المسبوق لحالات Rydberg هذه ضمن تطبيقات الكم. باو وآخرون. تهدف إلى استكشاف الحالات الجديدة عبر هندسة التركيب الكيميائي والتحكم في المرحلة الهيكلية وحقول المقياس الخارجي. وأظهر العلماء أن السيطرة على REP ومكثفاتها أضافت نكهات جديدة لدراسة الليزرين الليزري ، والسوائل الفائقة والدوامات. الأهم من ذلك ، يحمل العمل إمكانات كبيرة للتطبيقات في مجال الاتصالات الكمومية والتحفيز الكمي.
تعتبر البيروفسكايتات المصنوعة من الرصاص الصاعد مع سلسلة Rydberg exciton مرشحين ممتازين للتحقيق في حالات exciton-polariton وتكثيف polariton لدوائر الفوتون الكمومية المستقبلية. وقد أظهر الفيزيائيون مؤخرًا واعدًا إستئصال polariton lasing استنادًا إلى حالة exciton الأرضية في تجويف CsPbCl3. في العمل الحالي ، باو وآخرون. أظهر تشكيل polaritons exciton الهجين في csPbCl3 perovskite وضوح الشمس ، بما في ذلك REPs الناشئة دون حقول خارجية. الأهم من ذلك ، أنها وصلت إلى تكثيف بوس آينشتاين (ظاهرة الكم الغريبة التي لوحظت في الغازات الذرية المخففة) من بولاريتون مع التحول الأزرق البارز. كانت polaritons متباين الخواص ، وكانت مراقبة الاستقطاب الدقيق المرصودة شرطا مسبقا ضروريا في معالجة المعلومات البصرية الكمومية. يبني العمل خطوة كبيرة إلى الأمام في الأنظمة الضوئية الكم الحالة الصلبة ويوفر منصة فريدة من نوعها لنبضات الكم الجسم متماسكة جديدة. في موازاة ذلك ، يفتح البحث أيضًا بابًا جديدًا للتطبيقات الضوئية الكمومية للحالة الصلبة في الاتصال وحوسبة الإنترنت الكمومي.
Scripting of csPbBr3 microcavity devices and materialization المميزة. (A) يتكون المجهر المصغر CsPbBr3 من عاكس Bragg (DBR) الموزع من قاع 16 زوجًا SiO2 / Ta2O5 وزجاجات CsPbBr3 نابعة من CVD بسماكة 416 نانومتر ومرآة علوي Ag بسماكة 55 نانومتر. يشار إلى محاور الكريستال أيضا. (B) صورة مجهرية للقوة الذرية للبيروفسكايت أحادي البلورية الموحد الشكل CsPbBr3 المستخدم بالاقتران مع مرآة DBR السفلية في التجارب التي تم تلخيصها في الشكل 2. يتم تمييز المحاور البلورية أيضًا. (شريط النطاق: 10 ميكرون.) (C) يحسب DFT بنية بلورية مستقرة من CsPbBr3 العظمي ، مع محاور البلورية المسمى أ ، ب ، ج. ينتج عن هذا الهيكل مؤشرات انكسارية متطابقة تقريبًا على طول المحورين a و c ، ومؤشر انكسار مختلف تمامًا على طول المحور b. (D) طيف الامتصاص الغير انتقائي لفيلم CsPbBr3 أحادي البلورية على الميكا عند 100 K. تظهر قمة امتصاص الامتصاص E1 exciton ذات الحالة البارزة بوضوح مع حالة الاستثارة n = 2 Rydberg exciton E2. (E) تحسب هياكل الفرقة PBE و G0W0 لتقويم CsPbBr3 العظمي. مع إدراج اقتران الدوران - المدار ، يتم تصحيح فجوة النطاق المحسوبة PBE إلى 2.5 فولت بواسطة G0W0 ، متفقًا جيدًا مع التجارب. الأهم من ذلك ، على عكس GaAs ، لا يوجد لدى CsPbBr3 حالات شريطية متدهورة أو قريبة عند حواف نطاق التوصيل والتوصيل (نقطة)). الائتمان: PNAS ، doi: 10.1073 / pnas.1909948116
اختار فريق البحث التقى الهاليد بيروفسكايت (CsPbCl3) كمضيف للإكسيتون بسبب ثباته الكيميائي المتفوق وكفاءة الانبعاثات مقارنة مع بيروفسكايت الهاليد غير العضوي. لاستكشاف التفاعلات القوية في المادة الضوئية في هذه الحالات المثيرة ، قاموا بتضمين صفيحة CsPbCl3 في تجويف مستو Fabry-Perot (لبنة أساسية لمقاييس التداخل الليزرية). ساعدت جودة التجويف العالية هذه في تكوين REP نظرًا للواجهة الحادة بين البيروفسكايت والمرآة المعدنية في الإعداد ، جنبًا إلى جنب مع انخفاض خسائر امتصاص المعادن في درجات الحرارة المبردة.
باو وآخرون. لاحظت اقترانًا متماسكًا بين هذه الحالات وفوتونات التجويف باستخدام مطيافية k-space بعد تبريد العينات إلى 90 كلفن. وأجرى الباحثون توصيف الفضاء k باستخدام الاستقطاب الخطي الانتقائي للتلألؤ الضوئي (PL) وقياسات الانعكاسية. قاموا بقياس PL باستخدام ليزر مضخة غير رنيني يبلغ 460 نانومتر ، وأكملوا قياسات الانعكاسية باستخدام مصدر ضوء أبيض هالوجين تنجستين غير مستقطب. حصل الفريق على وضعين مشتتين من كلا PL وقياسات الانعكاسية ، والتي حددوها على أنها حالات polariton المشكلة حديثًا. تتضمن الملاحظة اقترانًا قويًا متماسكًا بين الضوء وحالة الإثارة exciton ، دون وجود مجال خارجي لتشكيل REP المتوقع (Rydberg exciton polariton). أظهر البولاريتون تباين قوي للغاية مستمد من مؤشرات الانكسار البيروفسكايت.
PL- حل زاوية K-space وانعكاس الضوء الأبيض عند 90 K. خريطة PL المضخومة (ليزر 460 نانومتر) تم الحصول عليها عن طريق التحليل الطيفي k-space مع استقطاب الفوتون (A) على طول المحور البلوري a ، (B) على طول البلورة المحور ب ، و (C) 45 درجة بين محوري a و b. يتم تضخيم شدة polariton للفرع الأوسط بـ 2 × ، 10 × ، و 2 × في A – C ، على التوالي ، بسبب ضعف انبعاثها. يمثل المحور الأفقي الوظيفة الجيبية لزوايا ميل ضوء الانبعاث θ بالنسبة إلى المحور z ، والمحور العمودي هو طاقة الفوتون. polariton فرع الأوسط MPa و MPb (أفضل رؤية في C) تتشكل بشكل لا لبس فيه بسبب حالة exciton ن = 2. تشتت polariton مناسب باستخدام نموذج مذبذب مقرن. يتم تضمين طاقة exciton وطريقة التجويف الضوئي (Cava و Cavb) قبل الاقتران القوي (الخط المتقطع) وتشتت polariton المجهزة (الخط الصلب) مع خريطة PL. لا يمكن ملاحظة هذه الحالات المفرزة الدقيقة وهياكلها المستقطبة إلا في درجات حرارة منخفضة (أقل من 150 كلفن). في درجات الحرارة الأعلى ، تنتقل عينات التجويف من فرع بولاريتون واحد فقط إلى ذروة PL واسعة (تشبه انبعاثات الإكسيتون العارية). خرائط انعكاس الضوء الأبيض الانتقائية المقابلة من نفس العينة (D) على طول المحور البلوري a و (E) على طول المحور البلوري b. يطابق تشتت خرائط الانعكاس k-space تشتت PL جيدًا. (F) اعتماد الاستقطاب لانبعاث polariton بزاوية طبيعية (θ = 0 °). نسبة الانقراض من هذين النمطين للانبعاث للفرع السفلي المتعامد أكثر من 50. الائتمان: PNAS، doi: 10.1073 / pnas.1909948116
قام الباحثون بتعريف مكثفات بولاريتون (اقتران هندسي دقيق بين الضوء والمادة) على أنها مجموعة متماسكة لكثافة محدودة من الجسيمات في أقل حالة بولاريتون متاحة. وصفوا الحالة باستخدام نموذج تكاثف بوز آينشتاين. كان المكثف ممكنًا عند درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة المبردة نظرًا لكتلته الفعالة الصغيرة (تقريبًا 104 كتلة إلكترون) من جزيئات المادة الخفيفة الهجينة والتفاعلات القوية فيما بينها. في كثافات الحامل الأعلى ، أصبحت التفاعلات مهمة لتوليد نظام غير خطي محفز لتشكيل حالة تكاثف كم متماسكة عيياً.
أجرى العلماء المزيد من التحليل لتأكيد تكاثف polariton. لاحظوا ثلاث مناطق المقابلة ؛ حيث (1) تفاعلات polariton كانت ضئيلة ، (2) شكلت تفاعلات محفزة بين REPs ، و (3) شكلت نظام التكثيف. النتائج تبرر تفسير باو وآخرون. تشكلت على حالة الاستقرار غير المتوازنة كمكثف إكسيتون-بولاريتون. على النقيض من تكثيف polariton التقليدي ، لاحظ فريق البحث تورط أوضاع polariton متعددة بسبب تفاعلات exciton-exiton القوية في الدراسة.
كان التفاعل القوي للممثلين في المنطقة غير الخطية واضحًا أيضًا في التحولات الزرقاء لهذه الطاقات المستقطبة ؛ لم يحدث التحول بسبب تأثير التسخين عند قوى مضخة ليزر عالية. عندما قام الباحثون باستخراج مواقع ذروة التلألؤ الضوئي كدالة لطاقة المضخة ، لاحظوا أوضاع بولاريتون أسفل العتبة لإظهار تحولات زرقاء ملحوظة بسبب تأثير اضطراب صغير. فوق العتبة ، أصبحت تفاعلات بولاريتون البولاريتون البغيضة أكثر بروزًا ، مما تسبب في أن تظهر أوضاع REP تحولات قوية زرقاء. أظهرت الدراسة تفاعلات polariton قوية جدا مع مشاركة الدول Rydberg excitonic.
سلوك مكثف للإكسيتون - بولاريتون عند مستوى 55 ك.
ليست هناك تعليقات: