Сотрудники Лаборатории естественных наук (США) разработали экспериментальную схему для наблюдения новой квазичастицы, названной фонитоном.
По определению авторов, фонитон представляет собой суперпозицию долгоживущего локализованного фонона (кванта колебательного движения атомов кристалла) и возбуждения среды. Аналогом фонитона можно считать другую составную квазичастицу — экситонный поляритон, образующийся при взаимодействии фотона с экситоном, связанным состоянием электрона и дырки. В полупроводниках экситон создаётся при поглощении кванта света, а затем аннигилирует, излучая фотон; если эти события происходят в резонаторе с отражающими поверхностями, который захватывает фотон и позволяет ему непрерывно воссоздавать электронно-дырочную пару, исследователи получают искомый экситонный поляритон.
Фонитон также должен наблюдаться в полупроводнике, но, как уже было сказано, имеет другой состав: место фотона в нём занимает фонон. Это изменение, разумеется, отражается и на экспериментальной методике.
Для создания фонитонов американцы предлагают использовать образцы кремния с введёнными в них атомами донорной примеси (скажем, фосфора), которые отдают кристаллу электрон, локализующийся на небольшом участке решётки размером в несколько нанометров. При определённой степени деформации — «растяжения» или «сжатия» — решётки легированного кремния основное и первое возбуждённое состояния дополнительного электрона окажутся разнесены на несколько миллиэлектронвольт. Фонон с такой энергией сможет перевести электрон в возбуждённое состояние, и возврат частицы в основное состояние будет сопровождаться испусканием аналогичного фонона.
Чтобы продлить взаимодействие фонона с электроном, физики планируют изготовить оригинальный резонатор — полупроводниковую структуру, в центре которой будет находиться слой легированного кремния толщиной около 10 нм, сравнимой с длиной волны фонона, имеющего нужную энергию. Над и под активной областью должны лежать кремний-германиевые слои с разными соотношениями двух элементов, подобранными таким образом, чтобы отражать фононы. Выращивание кремния на SiGe-основе, которая отличается чуть увеличенными межатомными расстояниями, позволит «растянуть» его решётку.
Возможно, полупроводниковые структуры такого типа пригодятся при создании квантовых компьютеров. Что-то более определённое о применении фонитонных состояний можно будет сказать после того, как описанную схему реализуют на практике.
По материалам: Американского физического общества