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  美国科学家首次观察到了激子内发生自发相干现象时的各种图案,最新研究有助于他们更好地理解激子以及物质的量子属性,也有望让科学家们研制出新的光电计算设备和消费设备,因为研制出这些光电设备需要深入了解物质和光的基本属性。

  研究发表于3月29日出版的《自然》杂志。激子是指半导体内相互依附的电子和空穴对,其决定了半导体的光学属性并使半导体具有光电设备的功能。加州大学圣地亚哥分校的物理学教授列奥尼德布托夫领导的科研团队将激子冷却到绝对零度(零下273.15摄氏度)左右,并借用设备,在高于绝对零度0.1摄氏度的条件下观察到了激子的自发相干、自旋纹理和相位奇点。2002年,布托夫发现,当激子被冷却到足够低温时,其会自发排列成一个有序的微小滴珠阵列,就像一串迷你珍珠项链。在最新实验中,他们发现,激子粒子的自旋在空间内并非完全一样,而是会围绕这些小滴珠形成一定的图案,他们称之为“自旋结构”。他们也发现,自发相干图案不仅同自旋极化图案有关,也同相干激子气体内的相位奇点有关。该研究论文的第一作者、研究生阿历克斯海表示:“看到这些图案令人吃惊。更令人惊奇的是,对极化进行测量表明,相干和极化之间强烈相关。”布托夫说:“最新研究有助于我们理解激子的基本属性以及信号处理过程,这对未来建造出激子设备不可或缺。”物理学家们让激光器照射在被冷却的砷化镓(制造手机晶体管的原材料)样本上制造出了激子。光会将电子由它们盘踞的原子轨道踢出,从而制造出一个带负电荷的“自由”电子和一个带正电荷的“空穴”,它们之间的库仑相互作用在一定条件下会使它们在空间上束缚在一起,成为激子。

  然而,因为电子和空穴非常接近,当光出现时,它们有时会相互湮灭。为了不让湮灭悲剧发生,布托夫团队将电子和相对应的空穴分别置于不同的纳米大小的量子势阱内,这使得制造出的激子具有所需要的寿命,在本次试验中,大约为50纳秒。海表示:“在这段时间内,激子会冷却形成凝聚物,并展示出令人感兴趣的自旋物理学。”科学家们还使用了干涉仪,将光分成两个不同的路径,从而使他们能比较同一样本的两个不同区域的情况,首次看到激子内自发相干的详细细节。海说:“以前的实验需要使用光纤并在稀释制冷机内进行,但最新设备让我们能在非常低的温度下给激子拍照,这一点非常重要。”

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