Новый эксперимент ученых поставил под сомнение «моногамию» квантовых частиц

Недавнее исследование выявило фундаментальные изменения в поведении квантовых частиц при высокой плотности, что существенно пересмотрело традиционные представления о динамике частиц в материалах. Это открытие имеет важное значение для понимания структуры материи и открывает новые перспективы в области нанотехнологий и квантовой инженерии.

Материя структурирована на основе квантовой природы частиц, которые делятся на фермионы и бозоны, что определяется принципом Паули и статистикой Бозе-Эйнштейна соответственно. Фермионы, такие как электроны, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, в то время как бозоны могут эффективно объединяться, что позволяет им проявлять когерентные свойства.

Особое внимание в данном контексте уделяется экситонам, которые представляют собой квазичастицы, состоящие из электрона и дырки, и ведут себя как бозоны. Ранее считалось, что экситоны характеризуются моногамным поведением и их распад связан с высокими энергетическими затратами.

Группа учёных под руководством профессора Мохаммада Хафези провела серию экспериментов с целью изучения влияния плотности свободных электронов на динамику экситонов. Для этого был разработан слоистый материал, в котором электроны и экситоны занимали строго определённые позиции в кристаллической решётке, что позволило точно контролировать их взаимодействие.

При начальных условиях низкой плотности электронов экситоны демонстрировали ожидаемое поведение в соответствии с классической теорией. Однако при увеличении плотности их движение значительно замедлялось, что можно объяснить увеличением числа электрон-электронных взаимодействий. Когда плотность достигла критического уровня, и практически все позиции в решётке были заняты электронами, экситоны начали проявлять аномально высокую подвижность.

Этот феномен был интерпретирован как немоногамная диффузия дырок, при которой дырка в экситоне утрачивает жёсткую связь с электроном и становится способной взаимодействовать с окружающими электронами. Это приводит к ускорению процесса смены партнёров и позволяет экситонам эффективно перемещаться через перегруженную систему, минимизируя влияние препятствий.

Результаты исследования открывают новые возможности для управления динамикой экситонов путём изменения внешнего напряжения, что может быть использовано в разработке высокопроизводительных электронных и оптических устройств. Это включает, но не ограничивается, технологиями для солнечной энергетики, где оптимизация переноса заряда в материалах может существенно повысить эффективность преобразования солнечной энергии.

Таким образом, данное исследование представляет собой важный шаг в понимании квантовых явлений на микроскопическом уровне и имеет потенциал для революционных изменений в различных областях науки и техники.