可用於(yu) 研究光和物質的特定形式如何相互作用

    下麵的效果圖顯示了顯微鏡下超快紅色激光脈衝(chong) 在砷化镓半導體(ti) 上激起的“量子液滴”。每滴“液滴”中的電子和空穴以液態模式環狀排列，其周圍則是等離子體(ti) 。美國天體(ti) 物理聯合研究實驗室供圖

　　美國天體(ti) 物理聯合研究實驗室的物理學家與(yu) 德國馬爾堡大學的理論學家合作，發現了一類新的準粒子：他們(men) 利用超快激光，讓半導體(ti) 內(nei) 部的多個(ge) 電子和空穴以新的方式排列組合，凝結成類似於(yu) 液體(ti) 的“量子液滴”。盡管壽命隻有短暫的25皮秒（1皮秒＝萬(wan) 億(yi) 分之一秒），但“量子液滴”的穩定性卻足以用於(yu) 研究光和物質的特定形式如何相互作用。相關(guan) 實驗細節以封麵故事的形式刊發於(yu) 2月27日出版的《自然》雜誌。

　　當電子在半導體(ti) 中流過時，在原本的位置留下一個(ge) 空穴。電子可以與(yu) 空穴結合成對，被稱為(wei) 激子，屬於(yu) 準粒子的一種。而新發現的準粒子是電子和空穴以非成對的方式排列而成的微觀複合體(ti) 。研究人員稱之為(wei) “量子液滴”，因為(wei) 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(ti) 的特性，比如可以產(chan) 生漣漪。它不同於(yu) 我們(men) 所熟悉的液體(ti) 水，因為(wei) “量子液滴”的大小非常有限，超過這一限度後，電子和空穴之間的這種相關(guan) 性就會(hui) 消失。

　　在這項實驗中，研究小組向砷化镓半導體(ti) 發射每秒約1億(yi) 脈衝(chong) 的超快紅色激光。激光脈衝(chong) 首先產(chan) 生的是激子，隨著脈衝(chong) 強度增加，更多的電子—空穴對被創建出來。但當激子的密度達到一定水平時，原本綁定的電子和空穴就會(hui) 解散。電子繼而繞空穴形成環形波，就像液體(ti) 中原子的排列一樣。在周圍等離子體(ti) 的壓力下，帶負電的電子和帶正電的空穴被“擠壓”成為(wei) 呈中性的“液滴”。研究人員發現，4個(ge) 電子和4個(ge) 空穴就足以構成一滴“液滴”，最多時“液滴”中的電子和空穴數量均可以達到14個(ge) 。

　　研究人員稱，他們(men) 獲得的關(guan) 於(yu) 單個(ge) “液滴”能級的實驗數據與(yu) 理論計算是吻合的。調整激光脈衝(chong) 的量子特性，可以讓能級與(yu) “液滴”內(nei) 部粒子的相關(guan) 性匹配。“液滴”似乎也足夠穩定，有助於(yu) 未來係統性研究光和物質狀態之間相互作用。而且，準粒子通常擁有其組成粒子所不具備的獨特性質，可以在控製較大的係統和設備方麵發揮作用。

　　美國天體(ti) 物理聯合研究實驗室的物理學家史蒂芬·坎迪夫說：“說到實際用處，沒人打算去研製一個(ge) ‘量子液滴’小設備，但這確實可以間接地加深我們(men) 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。”