Wenn es um Materiezustände ging, waren die Dinge früher sehr einfach. Es gab Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase, und dann folgte Plasma zusammen mit Bose-Einstein-Kondensat, überkritischer Flüssigkeit und anderen. Das Neueste, wenn es um Zustände gehtder Materie ist Tröpfchen die, obwohl sie Ähnlichkeiten mit Flüssigkeiten aufweisen, aufgrund unterschiedlicher Umstände auftreten. Diese unerwartete Entdeckung kam zustande, als das Gemeinsame Institut für Laborastrophysik der Universität von Colorado seinen Fokus auf Galliumarsenid zur Erzeugung von Exzitonen richtete.
[Bildquelle : The Cundiff Group und Brad Baxley, JILA ]
Wenn ein Photon auf ein Material trifft, mehr noch auf einen Halbleiter, bilden sich Exzitonen. Sollte sich ein Elektron lösen, dh angeregt, bleibt ein Elektronenloch zurück. Sollten Kräfte anderer Ladungen in der Nähe bleiben, halten Sie das Elektron nahe am Lochangezogen wird, tritt ein gebundener Zustand auf, der als Exziton bekannt ist. Die Exzitonen haben den Namen Quasiteilchen, da die Löcher und Elektronen als ein einzelnes Teilchen wirken.
Berücksichtigen Sie, dass Solarzellen Halbleiter sind und die Bildung von Exzitonen nur ein Schritt zur Stromerzeugung ist. Wenn wir mehr darüber verstehen könnten, wie Exzitonen gebildet werden und wie sie sich verhalten, könnte dies dazu führen, dass Sonnenlicht effizienter geerntet wird.
Andrew Almand-hunter, ein Doktorand, übernahm die Aufgabe, Biexzitonen zu bilden. Dies sind zwei Exzitonen, die das Verhalten eines Moleküls haben. Dazu fokussierte er den Laser auf einen 100-nm-Punkt und ließ ihn kürzer und kürzer eingeschaltetBruchteile von nur einer Sekunde.
Das Experiment verlief jedoch nicht wie geplant. Er sagte: „Als die Impulse weniger als 100 Millionstel einer zweiten Exzitondichte dauerten, erreichte sie eine kritische Schwelle. „Wir haben erwartet, dass die Energie der Biexzitonen zunimmt, wenn der Laser mehr Elektronen und Löcher erzeugt. Als wir das Experiment durchführten, sahen wir jedoch, dass die Energie tatsächlich abnahm!“
Natürlich wusste das Team, dass sie keine Biexcitons erstellt hatten, aber sie waren sich nicht sicher, was sie gefunden hatten, und kontaktierten daher die Theoretiker an der Philipps-Universität. Ein Modell wurde erstellt, nachdem Theoretiker sagten, dass sie das Team für möglich hieltenTröpfchen zwischen gemacht 4,5 und 6 Elektronen mit Löchern.
Die Löcher und Elektronen sind nicht gepaart, aber die Tröpfchen sind klein genug, dass sie sich quantenmechanisch verhalten. Dies ist das gleiche wie wenn das Tröpfchen nichts anderes als gruppierte Exzitonen wäre. Sie bildeten jedoch einen sogenannten Quantennebelvon Elektronen und Löchern, die zufällig umeinander fließen und sich wie eine Flüssigkeit kräuseln können, anstatt diskrete Paare zu sein. Der Unterschied zwischen ihnen und anderen Flüssigkeiten sind Tröpfchen endlicher Größe, außerhalb derer sich das Loch / Elektronen-Bindeglied befindetbricht zusammen.
Eines der bemerkenswertesten Dinge, die daraus resultieren, ist, dass die Tröpfchen zumindest nach den Maßstäben der Quantenphysik stabil sind und die Entdeckung einen Platz in der Natur erlangt hat. Ihre Lebensdauer hängt davon ab, dass sie in festen Materialien leben und nur eine lange Lebensdauer haben 25 Billionstelsekunden Dies ist jedoch in der Regel ausreichend Zeit, damit Wissenschaftler ihr Verhalten und die Art und Weise, wie die Umgebung es formt, untersuchen können. Beachten Sie, dass sie bei dieser Größe nur mit herkömmlichen Mikroskopen sichtbar sind.
Mackillo Kira von der Philipps-Universität hat kürzlich mit Scientific American gesprochen; er hat einen Großteil der theoretischen Grundlagen geliefert. Er erklärte "Klassische Optik kann nur Objekte erkennen, die größer als ihre Wellenlängen sind, und wir nähern uns dieser Grenze." und fuhr fort zu sagen "Es wäre wirklich ordentlich, nicht nur spektroskopische Informationen über das Tröpfchen zu erfassen, sondern das Tröpfchen auch wirklich zu sehen."
Professor Steven Cundiff, der Leiter des JILA-Labors, sagte "Niemand wird ein Quantentropfen-Widget erstellen." Trotzdem kann die geleistete Arbeit helfen, Systeme zu verstehen, wenn mehrere Teilchen quantenmechanisch interagieren.