可用于研究光和物質(zhì)的特定形式如何相互作用

    下面的效果圖顯示了顯微鏡下超快紅色激光脈沖在砷化鎵半導(dǎo)體上激起的“量子液滴”。每滴“液滴”中的電子和空穴以液態(tài)模式環(huán)狀排列，其周圍則是等離子體。美國天體物理聯(lián)合研究實驗室供圖

　　美國天體物理聯(lián)合研究實驗室的物理學(xué)家與德國馬爾堡大學(xué)的理論學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)了一類新的準粒子：他們利用超快激光，讓半導(dǎo)體內(nèi)部的多個電子和空穴以新的方式排列組合，凝結(jié)成類似于液體的“量子液滴”。盡管壽命只有短暫的25皮秒（1皮秒＝萬億分之一秒），但“量子液滴”的穩(wěn)定性卻足以用于研究光和物質(zhì)的特定形式如何相互作用。相關(guān)實驗細節(jié)以封面故事的形式刊發(fā)于2月27日出版的《自然》雜志。

　　當(dāng)電子在半導(dǎo)體中流過時，在原本的位置留下一個空穴。電子可以與空穴結(jié)合成對，被稱為激子，屬于準粒子的一種。而新發(fā)現(xiàn)的準粒子是電子和空穴以非成對的方式排列而成的微觀復(fù)合體。研究人員稱之為“量子液滴”，因為它既具有量子特性，比如井然有序的能級，同時也擁有一些液體的特性，比如可以產(chǎn)生漣漪。它不同于我們所熟悉的液體水，因為“量子液滴”的大小非常有限，超過這一限度后，電子和空穴之間的這種相關(guān)性就會消失。

　　在這項實驗中，研究小組向砷化鎵半導(dǎo)體發(fā)射每秒約1億脈沖的超快紅色激光。激光脈沖首先產(chǎn)生的是激子，隨著脈沖強度增加，更多的電子—空穴對被創(chuàng)建出來。但當(dāng)激子的密度達到一定水平時，原本綁定的電子和空穴就會解散。電子繼而繞空穴形成環(huán)形波，就像液體中原子的排列一樣。在周圍等離子體的壓力下，帶負電的電子和帶正電的空穴被“擠壓”成為呈中性的“液滴”。研究人員發(fā)現(xiàn)，4個電子和4個空穴就足以構(gòu)成一滴“液滴”，最多時“液滴”中的電子和空穴數(shù)量均可以達到14個。

　　研究人員稱，他們獲得的關(guān)于單個“液滴”能級的實驗數(shù)據(jù)與理論計算是吻合的。調(diào)整激光脈沖的量子特性，可以讓能級與“液滴”內(nèi)部粒子的相關(guān)性匹配。“液滴”似乎也足夠穩(wěn)定，有助于未來系統(tǒng)性研究光和物質(zhì)狀態(tài)之間相互作用。而且，準粒子通常擁有其組成粒子所不具備的獨特性質(zhì)，可以在控制較大的系統(tǒng)和設(shè)備方面發(fā)揮作用。

　　美國天體物理聯(lián)合研究實驗室的物理學(xué)家史蒂芬·坎迪夫說：“說到實際用處，沒人打算去研制一個‘量子液滴’小設(shè)備，但這確實可以間接地加深我們對電子在不同的情況下，包括在光電子器件中如何相互作用的認識。”