混合激子-极子粒子以负质量的方式惊喜出现
发布时间：2023-05-11 08:00:00 阅读数： 125
a 嵌入单层WS2的制造的微腔示意图。b, c 两个样品的动量分辨PL光谱，激子-光子失谐值不同，Δ0。每个k值的最大强度被缩放为统一，以显示下部分支的形状。在面板c中，对E < 2.028 eV的光谱进行归一化，以抑制来自上层分支的强辐射。黑色的圆圈是两个分支的拟合峰值位置。红色实线是上极子（EU）和下极子（EL）的拟合色散，黑色虚线是裸露的微腔光子（Ec）和激子（Ex）。b、c中的误差条代表95%的置信区间。d 面板（b）和面板（c）中下部分支的质量参数（红色）m1和（蓝色）m2，负质量区域用红色阴影表示。资料来源：《自然通讯》（2023）。DOI: 10.1038/s41467-023-36618-6
对激子-极子中的负质量的意外观察，为这些奇怪的光-物质混合粒子增加了另一个奇怪的维度。
来自量子科学与技术系的马蒂亚斯-沃达克博士、尹廷和博士和埃利泽-埃斯特雷乔博士在对激子极子进行实验时发现，在某些条件下，色散变得倒置，相当于负质量。
更加令人惊讶的是，意外的原因竟然是损失。
Wurdack博士说："我们没有想到--色散遵循非常非常规的行为，"他是FLEET以及QST的成员。
一个激子是由一个电子和一个空穴在半导体晶体中配对形成的。如果这对电子与光子发生强耦合，就会形成一种被称为激子-极子的混合粒子。
FLEET研究员和澳大利亚国立大学的研究人员：左起：Eliezer Estrecho博士、Matthias Wurdack博士、Tinghe Yun博士。资料来源：Phil Dooley ANU
30多年前，激子-极子首次被观察到，并被证明具有非凡的特性，包括超流性和形成玻色-爱因斯坦凝聚物。世界各地的一些研究小组正在探索这些奇怪粒子的反直觉行为，希望它们能够成为未来低能量技术的基础。
对负质量的观察使来自埃莱娜-奥斯特罗夫斯卡娅教授小组的科学家们回到了白板前，试图找出可能导致这种效应的原因。
实验的简单性，即一个集成在微腔中的单层二硫化钨，意味着它可以用一个简单的耦合振荡器模型来近似，因此很少有可能出现意外的效果。研究小组很快意识到，在他们的计算中，一个虚数的耦合常数，即耗散耦合，复制了他们的观察结果。
然而，他们一直在努力理解这个数学模型，直到他们研究了其他领域，如微波腔，并意识到一个虚的耦合常数可能等同于光-物质系统的损失。
为了证实这一解释，该团队联系了德国柏林工业大学的安德烈亚斯-克诺尔教授领导的二维系统物理学数值建模专家。他的团队的Manuel Katzer和Malte Selig博士能够确认，负质量可能来自于损失--特别是由于原子薄的半导体中激子-极子和声子之间的相互作用。
计算结果还显示，随着激子-声子相互作用的关闭，质量从正数变为负数，澳大利亚国立大学的后续实验再现了这种行为。这些结果现在发表在《自然通讯》上。
Wurdack博士将激子-极子的行为比作湖上的船。
"活性材料中的声子就像湖面上的波浪，可以影响船的运动--使它们转向，导致它们摇摆和倾覆。他说："这减少了它们的动能，总体上导致了动量、能量和占用数量的损失。
同样来自FLEET的Estrecho博士说，在寻求低能耗技术的过程中，科学家不遗余力地减少或消除损失。
"通常情况下，我们不希望有损失，但在这里，损失给了我们新的东西，"他说。"它使我们能够为强耦合系统引入一个负质量"。
Wurdack博士说，这一发现是激子-极子的反直觉行为的另一个方面。
"这种行为可用于分散工程，有可能用于探测新的物理学和创造尚未梦想的设备。他说："我还不能预测使用这种色散工程的未来应用的程度，但我希望这将在未来的研究活动中得到探索。
参考资料：M. Wurdack et al, Negative-mass exciton polaritons induced by dissipative light-matter coupling in an atomically thin semiconductor, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36618-6
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