超快激光可在半导体上激起“量子液滴”

以上效果图显示了显微镜下超快红色激光脉冲在砷化镓半导体上激起的"量子液滴"。每滴"液滴"中的电子和空穴以液态模式环状排列，其周围则是等离子体。美国天体物理联合研究实验室供图

美国天体物理联合研究实验室的物理学家与德国马尔堡大学的理论学家合作，发现了一类新的准粒子：他们利用超快激光，让半导体内部的多个电子和空穴以新的方式排列组合，凝结成类似于液体的"量子液滴"。尽管寿命只有短暂的25皮秒（1皮秒＝万亿分之一秒），但"量子液滴"的稳定性却足以用于研究光和物质的特定形式如何相互作用。相关实验细节以封面故事的形式刊发于2月27日出版的《自然》杂志。

当电子在半导体中流过时，在原本的位置留下一个空穴。电子可以与空穴结合成对，被称为激子，属于准粒子的一种。而新发现的准粒子是电子和空穴以非成对的方式排列而成的微观复合体。研究人员称之为"量子液滴"，因为它既具有量子特性，比如井然有序的能级，同时也拥有一些液体的特性，比如可以产生涟漪。它不同于我们所熟悉的液体水，因为"量子液滴"的大小非常有限，超过这一限度后，电子和空穴之间的这种相关性就会消失。

在这项实验中，研究小组向砷化镓半导体发射每秒约1亿脉冲的超快红色激光。激光脉冲首先产生的是激子，随着脉冲强度增加，更多的电子—空穴对被创建出来。但当激子的密度达到一定水平时，原本绑定的电子和空穴就会解散。电子继而绕空穴形成环形波，就像液体中原子的排列一样。在周围等离子体的压力下，带负电的电子和带正电的空穴被"挤压"成为呈中性的"液滴"。研究人员发现，4个电子和4个空穴就足以构成一滴"液滴"，最多时"液滴"中的电子和空穴数量均可以达到14个。

研究人员称，他们获得的关于单个"液滴"能级的实验数据与理论计算是吻合的。调整激光脉冲的量子特性，可以让能级与"液滴"内部粒子的相关性匹配。"液滴"似乎也足够稳定，有助于未来系统性研究光和物质状态之间相互作用。而且，准粒子通常拥有其组成粒子所不具备的独特性质，可以在控制较大的系统和设备方面发挥作用。

美国天体物理联合研究实验室的物理学家史蒂芬·坎迪夫说："说到实际用处，没人打算去研制一个‘量子液滴’小设备，但这确实可以间接地加深我们对电子在不同的情况下，包括在光电子器件中如何相互作用的认识。"