异性相吸。这个关于人与人之间关系的世俗原则并不总是与现实相对应。但是在物理学中，一切都如他们所说：例如，相反的电荷总是吸引，类似的电荷排斥。该原理与世界本身一样古老，但是如果应用其他物理定律和现象，也可以对其进行一些修改。来自英国南安普敦大学的一组科学家进行了一项研究，他们设法制造出一种新型材料，称为光子束缚激子。最令人津津乐道的是，光子成为带负电的电子之间的连接链，根据逻辑，应该将其排斥。光子到底使用了多少，所发明原子的特征是什么，该开发可以在哪些领域使用？我们从科学家的报告中了解到这一点。走。
研究依据
正如我们已经记住的那样，类似的指控（即相同：++或--）应该互相排斥，而不同的情况（即相反：+/---+）应该相互吸引。但是，如果添加一小部分光子，则这种相互作用的图像就会改变。光的粒子。在这种情况下，当光子的能量转移到物质上时，就会增加光电效应的影响-光与物质的相互作用。
在这项工作中，科学家创造了一种纳米装置，可以将电子捕获到纳米级量子阱中*... 如果光子将大量能量带入器件，那么这将导致电子从阱中逸出。通过将该设备放置在两个金镜之间，可以捕获光子。这将把光子的能量聚焦在电子上，从而增强了光与物质之间的相互作用。反射镜的添加导致带负电的电子保留在阱中（没有反射镜，光子将它们从阱中驱除）并开始相互结合。
量子阱*是一种势能阱，它将粒子的迁移率从3维限制为二维（即，粒子开始在平坦层中移动）。上述量子阱（来自量子阱的QW ）自然会在整个系统的性能中发挥最重要的作用。科学家说，这有几个原因。
首先，QW使您可以实现光与物质之间更大的连接强度，这可以通过更改QW中的电子密度*来调节。
电子密度* -在量子力学中，是电子占据任何常规点周围无限小的空间元素的概率的度量。其次，可以使量子阱足够窄，以获得一个局部电子子带，该子带不会有任何子带间的跃迁。
第三，在这样的系统中，库仑相互作用不会产生束缚态。
从最后两点可以看出，没有周围光子共振器的纯量子阱根本不代表任何离散共振，而仅是在超过电离阈值的频率处的连续吸收带。
两个电子子带的准平行色散证明不存在库仑相互作用，这导致了排斥性的电子-空穴相互作用*。
电子-空穴相互作用*（pn相互作用）-具有不同类型电导率的两个粒子的接触面积-空穴（p代表正-正）和电子（n代表负-负）。这与较短波长的带间跃迁的情况非常不同，在较短的波长下，电子-空穴相互作用很有吸引力，并在没有极化子效应的情况下导致在电子-空穴连续体之外产生狭窄的共振。
因此，极化子*的形成可以改变现有的共振，但不会导致新的局部电子共振的产生。
* — , ( , , , ..).
№1: . 1 — , (EX) (EG) - ; 1b — - , ; 1 — , , (EI); 1d-最初填充的电子子带具有正有效质量，并且电子-空穴映射导致带负有效质量的带正电的空穴。
上面的图像是上述现象的示意图。在未掺杂量子阱中发生带间跃迁的情况下，参与跃迁的电子最初以有效质量负数占据价带。但是，在掺杂的量子阱中发生子带间跃迁的情况下，具有正有效质量*的第一个部分填充的导电子带将发挥相同的作用。在常规的电子-空穴标测中，这导致具有负有效质量的带正电的空穴。
* — , .GaAs量子阱中激发子带m 2中的电子有效质量大于第一子带m 1中的质量。这导致子带间电子-空穴对m r -1＝ m 2 -1 -m 1 -1的质量降低。
在两个物体具有任何吸引性电势的情况下，负质量会导致排斥性的电子-空穴相互作用，进而不能形成束缚态。
为了实际确认光子介导的束缚态的存在，创建了一个系统，该系统由嵌入窄晶格金微腔谐振器中的13个GaAs / AlGaAs量子阱组成。
图片2：实验装置图。2--在结构的一个周期（D）和带状谐振器的TM02模式下，垂直于金属层的电场分量的分布；2b-一组样品的显微镜检查；2c-用于反射率测量的实验装置（连接到FTIR光谱仪的中红外显微镜。
谐振器是一维带状，电磁场（图2a）几乎完全包含在金属针脚下。
量子阱的尺寸足够薄，只有一个陷获的传导子带，因为第二个子带的存在会导致子带间极化子的产生。
如果存在两个分区，则键合跃迁的存在将导致可用振荡器强度达到饱和，这将导致抑制键合连续跃迁，因此应在此测试中进行研究。
为了检查该重要参数，制造了两个样品HM4229和HM4230，其量子阱和掺杂的宽度不同。样品HM4229包含4纳米厚的GaAs量子阱（宽度L QW = 4纳米），每个量子阱的密度为5×10 12 cm -2。 HM4230样品包含量子阱（L QW= 3.5 nm）以4.77 x 10 12 cm -2掺杂。
图像3：在没有周围光子谐振器的情况下，纯QW中光学跃迁的耦合连续性。3 -在300K传输用于与不同宽度L的QW样品的测量QW ; 3b - 3e是掺杂量子阱中的键合（3b和3c）和键连续谱跃迁（3d和3e）方案。
-* — , , , () , .图3b - 3f表明，在QW势的不同单粒子状态下，不同类型（键键和键连续体）的跃迁经历了相反的频移，且L QW减小：前者具有蓝移*，后者具有红移*。
- * ( -) — (, ).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
蓝移*是当辐射的波长减小而频率增加时的现象。这使得可以在使用金（3a）之前通过分析两个样品的透射光谱来评估光学跃迁的性质。
红移* -辐射波长增加（例如，光变红），频率和能量降低的现象。
这里存在非常宽的吸收，这与掺杂的量子阱有关（横向磁极化）。还观察到约140 meV的较窄区域，该区域是连续体的边缘。科学家注意到，此功能不会随着L QW的减小而导致蓝移，而是表明光谱权重向光谱的红色部分转移。然后，键合跃迁将导致数十毫伏的蓝移，证明纯QW中跃迁的连续束缚性质。
如前所述，所有样品都在金属-半导体-金属晶格和宽度为p（2a和2b）的金属销中制成。由于电磁场非常局限在金属指的下方，因此该系统的行为本质上类似于Fabry – Perot谐振器*。
法布里–珀罗谐振器*是一种光学谐振器，其中的平行反射镜彼此对准。在这些反射镜之间会形成共振的驻波。基于光栅的面积为200 x 200μm的光栅制造了几种器件，其阶跃范围为800 nm至5μm，可覆盖较宽的频率范围（2b）。使用配备非常紧凑的低温恒温器（2c）的FTIR光谱仪，在78 K下获得每个设备的反射率数据。
图片4：实验反射率数据。4-取决于谐振器频率的掺杂样品HM4229反射率的数据；图4b -为HM4229（红色）和纯谐振器（绿色），用于频率ω反射率数据 = 157.8兆电子伏（实线），ℏω = 147兆电子伏（虚线）和ℏω Ç = 141.5兆电子伏（dash-虚线线）; 4c-各种振动的线宽与振动能量的关系。
分析的结果显示在上面的图中。图4a显示了样品HM4229在78 K下的反射率与纯谐振器频率的关系图。如果在电离阈值（黑色水平虚线所示）上方观察到连续吸收，则在下面会出现窄的极化共振。相对于纯谐振器，它被红移了超过20 meV。
使用多个Lorentz数据拟合将峰值频率绘制在颜色图上。红色三角形和蓝色正方形分别代表低于和高于确定的电离阈值的频率。为了进行比较，绿色圆圈标记了在未掺杂样品上测得的纯谐振器的频率。
在电离阈值以下，离散极化子模式的寿命主要受腔的寿命限制。上方是通信连续谱，其中只能识别非常扩展和不确定的特征。
掺杂样品和未掺杂样品的光谱比较表明，在连续体边缘以下的掺杂样品中发生了离散共振，而在相同但电磁未结合的样品中则没有。
这种混合离散状态可以描述为极化子，其相对于基态的电子密度为：
ΔN（Z）= P [|Ψ ë（Z）| 2 - |Ψ克（Z）| 2 ]其中P（在0 ... 1范围内）是物质的极化子分量的重量； Ψ克（z）是在其基态的电子的归一化波函数; Ψ È（z）是通过光与物质的相互作用产生的局部电子态的波函数。
图片5：计算P. 5-本征模使用理论模型获得，其参数选择为与色图上的实验反射率数据相匹配；图5b是从5a提取的用于计算离散极化子模式的P的参数。
在5a直观地显示了使用理论模型对观察到的反射光谱建模并将其与实验数据进行比较的结果。这些参数允许计算P（5b）。
从该模型可以得出，对于P的非零值，明确定义了低于电离阈值的离散共振，这证明了光产生的电子波函数（e（z）的显着填充。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
该实验使得有可能证明将电离跃迁与光子谐振器耦合的可能性，这将导致对系统电子结构的无扰动修改。
结果是混合极化子激发，其材料成分是由光和物质（由电子和空穴组成）的相互作用所产生的束缚态，由于它们与横向电磁场的相互作用而保持在一起。
根据科学家的说法，由于与微腔的光子场有关而具有调节材料特性的能力是一个非常有前途的方向。
在这项工作中，他们能够创建一个设备，该设备在两侧都被金镜限制，该设备捕获光子并将光能聚焦到电子上，从而极大地增强了光与物质之间的联系。在实验过程中，已经注意到，由光子发射的带负电的电子仍被俘获在量子阱中，与其他带负电的电子有关。此外，由于光子的作用，该配置保持稳定。
换句话说，这项研究表明可以创建一种新型的人造原子，其电子结构可以随意定制。
光子学是一门相当年轻的科学分支，但与此同时，它的影响力每年都在增长，这归因于这种研究。就像许多其他现象一样，光可以与薛定ding的猫相提并论：一方面，一切都是清晰可见的，但如果深入研究，一个简单的道理就会变得显而易见-无论一个人收到多少答案，总会有更多的问题。然而，至少在科学中，在寻找问题的答案时，答案本身并不重要，而是通往答案的途径。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您一周工作愉快。:)
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