Перевернутый мир: Физики обнаружили в материале электроны с отрицательной массой. Их присутствие заставило полупроводник также излучать пики синего высокоэнергетического света после возбуждения красным лазером. Этот эффект указывает на образование экзотических экситонов - пар электронов и электронных дырок. В них электроны были катапультированы особенно высоко в зону проводимости и получили отрицательную массу, как сообщает команда в журнале Nature Communications.
Предметы нашей повседневной жизни обладают положительной массой: они противодействуют движению с определенной инерцией, и когда мы приводим их в движение импульсом, они движутся в том направлении, в котором мы их подтолкнули. Чем больше масса объекта или частицы, тем больше энергии мы должны затратить, чтобы привести его в движение. Это следует из формулы Ньютона: сила=масса, умноженная на ускорение.
Когда толкнули назад
Но в квантовой физике действуют другие правила: когда частица сталкивается, может случиться, что она движется назад - против направления импульса. Также возможно, что частица с увеличением скорости имеет не большую, а меньшую кинетическую энергию. Или что гравитационное притяжение двух частиц внезапно меняется и толкает их, а не притягивает.
За всем этим стоит концепция отрицательной массы: отрицательный знак массы меняет типичные эффекты многих сил. Хотя в классической физике это кажется невозможным, в области частиц и квазичастиц это вполне мыслимо и даже осуществимо: например, в 2017 году исследовательская группа манипулировала ультрахолодными атомами таким образом, что они двигались к источнику импульса, а не в направлении действия силы - поэтому их масса была отрицательной.
По следам высоких экситонов
Теперь физику удалось наблюдать электроны с такой отрицательной массой. Кай-Цян Лин из Университета Регенсбурга и его коллеги обнаружили это явление в эксперименте с диселенидом вольфрама (WSe2). Если этот материал возбудить в ультрахолодном состоянии путем подачи энергии, могут быть созданы так называемые экситоны - виртуальные частицы, состоящие из электрона и электронной щели.
Для своего исследования Лин и его коллеги теперь исследовали, могут ли такие экситоны быть переведены на более высокие энергетические уровни, заставляя их электроны перемещаться в еще более высокие зоны проводимости с помощью лазерной бомбардировки. Согласно теории, при этом могли бы возникнуть не только так называемые высоколежащие экситоны (HX), но и образовалась бы в материале многослойная структура экситонов разной энергии.
Чтобы проверить это, физики облучили моноатомный слой диселенида вольфрама лазером с длиной волны 716 нанометров и наблюдали за реакцией с помощью оптической спектроскопии.
Синие пики как индикатор
Оказывается удивительным: такое возбуждение красным светом должно фактически приводить к тому, что материал сначала поглощает энергию, а затем испускает более длинноволновое излучение с несколько меньшей энергией. Однако все было наоборот: полупроводник также излучал синий свет с более короткими длинами волн и, следовательно, с более высокой энергией. «Это преобразованный синий свет виден как серия из десяти пиков в спектре», - сообщают Лин и его коллеги.
Как объясняют физики, измерения показывают, что высоколежащие экситоны действительно были созданы в полупроводнике. Синий свет, однако, можно объяснить только в том случае, если электроны в этих электронно-дырочных парах имеют отрицательную массу. «Наблюдение за чередованием интенсивностей пиков предполагает участие электронов с отрицательной массой», - пишет команда.
Стабильный, несмотря на отрицательную массу
По словам Линя и его коллег, такие экситоны могут быть относительно стабильными - по крайней мере, в течение 100 фемтосекунд - несмотря на отрицательную массу их электронов. Это тот случай, когда масса электронной дырки положительна и больше, чем отрицательная масса электрона. Отрицательная масса в сочетании с постепенным высвобождением энергии при возвращении в исходное состояние вызывает испускание синего, более энергичного света.
«Если провести аналогию с классическим орбитальным движением, то можно представить поведение электрона и электронной дырки как двух тел, вращающихся вокруг общего центра», - объясняют исследователи. «Однако этот центр не лежит между двумя частицами, так что обе они могут ускоряться в одном и том же направлении».
По вашему мнению, эффекты, наблюдаемые в эксперименте, подчеркивают, насколько сложной может быть экситонная физика в таких дихалькогенидных полупроводниках.