科學家首次在室溫條件拍攝到激子極化激元納米圖像！

導讀

最近，美國愛荷華州立大學的研究人員 Zhe Fei 帶領的科研團隊， 在室溫條件下，創造出了激子極化激元，並研究了其相關特性，還首次拍攝到了這種准粒子的納米圖像。

關鍵字

准粒子、激子極化激元、光子、半導體、量子

背景

今天，我們還是從一個非常重要的物理概念開始。這個概念就是：

准粒子

提起准粒子，許多人或許都會感到陌生。那麼，我們還是循序漸進，先從大家比較熟悉的概念講起。

粒子

粒子是指能以自由狀態存在的最小物質組分，例如我們熟悉的有電子、質子、中子。然而，隨著物理學的不斷發展和進步，關於粒子的新概念也層出不窮，例如輕子、重子、介子、玻色子、費米子等等。

粒子物理學中，有一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論：

「標準模型理論」（Standard Model, SM）

根據標準模型理論的描述，基本粒子共有62種，這裡就不一一列舉了。

（圖片來源於：維基百科）

准粒子

然而，准粒子並不同於普通的基本粒子，它的概念來源於場論。一般來說，固體是由三種粒子：電子、質子和中子構成。准粒子，與以上三種粒子都不相同。准粒子的概念與相關知識，涉及大量物理學理論，頗為複雜。在這裡，筆者只是為大家簡單介紹一下，以供大家參考。

根據維基百科的說法，准粒子是在固體內部發生的一種層展現象（emergent phenomenon）。

固體中基本粒子的運動，比我們的想像要複雜的多：

固體中的每個電子或者質子，與其他所有的電子或者質子之間，都存在著「推」和「拉」的相互作用。正是這些強烈的相互作用，使得我們理解起固體中的運動，會變得非常困難（參見多體問題）。

另一方面，無相互作用的粒子運動非常簡單：

在經典力學中，它就是沿著一條直線運動；在量子力學中，它可以看成是平面波疊加的方式在運動。

然而，這正是准粒子概念的出發點：

固體內複雜的實際粒子運動，可以通過數學轉換成更簡單的、想像中的准粒子，其行為方式就像無相互作用的粒子。

總體來說，准粒子可以看成一種數學工具，用來簡化描述固體內部的複雜運動。它們並不是固體內部「真實」的粒子。簡單地說，准粒子也可以看成是一種「振動」或者「波動」。

元激發

或許，以上的介紹還不足以讓大家理解清楚准粒子。所以，我們再看另外一種說法：准粒子也可以稱為「元激發」。那麼，什麼是元激發呢？

它同樣是固體物理中的一個非常重要的概念，是指固體中的粒子之間、粒子自旋之間、帶電粒子與電磁波之間的各種相互作用，從而產生粒子的各種集體運動，通常表現為不同的振動或波動，其能量量子就是元激發。因其具有粒子的性狀，又稱准粒子。

（圖片來源於：維基百科）

對於能量靠近基態的低激發態，可以將其看成一些獨立的激發單元集合，具有確定的能量和波矢。元激發是整個固體理論的一個核心內容。解讀元激發這一概念，有助於我們更好地理解准粒子。

元激發即准粒子，具有很多種形式，例如聲子、磁振子、電磁極化子、激子極化激元等等。

聲子

對於聲子，筆者曾在《聲子計算機：計算機技術未來發展的新希望！》一文中介紹過，這裡我再次梳理一下：

聲子，並不是一個真正的基本粒子。它是晶體中晶體結構集體激發的准粒子，用來描述晶體原子熱振動即晶格振動規律的一種能量量子。

聲子可以被理解為分子熱振動能量的具象化，在半導體材料里，聲子流就是熱流。認識聲子（一種具體的准粒子），有助於我們加深對於准粒子概念的理解。

創新

今天我要介紹的創新科技，也是與一種准粒子相關，它就是：激子極化激元。

這項創新研究團隊的領頭人是美國愛荷華州立大學助理教授、能源部艾姆斯實驗室的助理 Zhe Fei，相關的論文發表於《自然光子學》雜誌。

Zhe Fei 指著自己電腦屏幕上明暗相間的垂直條紋，解釋稱：

這幅納米圖像顯示出，這些波與半導體內部運動的半光、半物質的准粒子相關。

他進一步說：

「這些波就像水波，好比向平靜的水面扔一塊石頭，會看到波紋一樣。但是這些波是激子-極化激元（ exciton-polaritons）。」

技術

從技術角度，我們將通過兩個簡單的問答，為大家進一步分析這項創新研究。

激子極化激元到底是什麼呢？

簡單地說，它是光和物質的結合體，與所有的准粒子一樣，存在於固體內部，具有能量和動量等物理特性。

如何創造激子極化激元，並對其成像？

研究人員通過向納米成像系統的尖端，發射激光的方法創造出激子極化激元。該納米成像系統瞄準了二硒化鉬（MoSe2）薄片，它是一種可具有激子效應的層狀半導體。

下面這幅圖對這個過程進行了很好的演示：激光從左上方發出，平面的半導體內部會形成的紅色圈，它代表與准粒子相關的波。

（圖片來源於：Zhe Fei /愛荷華州立大學）

當光線被半導體吸收時，激子就形成了。當激子和光子強烈耦合時，就會創建出激子-極化激元。

價值

這項創新最重要的價值之一，就是研究人員首次獲取到激子極化激元的真實空間圖像。

Zhe Fei 稱，之前的其他研究項目使用了光譜學研究，以光學光譜中的諧振峰或者谷的形式，記錄激子極化激元。直到最近這些年，許多研究只是在極低溫的條件下，觀察到准粒子，溫度低至零下450華氏度。

但是，Zhe Fei 和他的研究小組在室溫條件下，通過他們學校實驗室的掃描近場光學顯微鏡拍攝了准粒子的納米圖像。他說：

「我們首次展示了這些准粒子的圖片，以及他們是如何傳播、干涉和產生的。」

例如，研究人員在室溫條件下，測量到了激子極化激元超過12微米的傳播距離。

Zhe Fei 說，在室溫條件下創造出激子-極化激元以及研究它們的傳播特性，對於准粒子的未來應用有著重大的意義。未來有一天，它們可以用於構建納米光子電路，取代電子電路，用於納米級的能量或者信息傳輸。納米光子電路的帶寬很大，速度將比目前的電子電路快一百萬倍。

另外，研究人員也研究了通過改變MoSe2半導體的厚度，控制激子極化激元的特性。

未來

自從在加州大學聖迭戈分校研究生學習的日子起，Zhe Fei 一直致力於石墨烯和其他二維材料中的准粒子研究，他說早期的研究為開展激子-極化激元研究打開了大門。

「我們需要進一步地探索激子-極化激元的物理特性，以及如何控制這些准粒子。」

Zhe Fei 稱，這些研究將為我們帶來新的器件，例如極化激元晶體管。並且，未來有一天，這項技術將導致光子和量子技術取得重大的突破性進展。

參考資料

【1】http://www.news.iastate.edu/news/2017/06/07/exciton-polaritons

【2】https://www.nature.com/nphoton/journal/v11/n6/full/nphoton.2017.65.html

【3】https://en.wikipedia.org/wiki/Quasiparticle

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！