Rozmowa z profesor Sylwią Zielińską-Raczyńską z Instytutu Matematyki i Fizyki i Wydziału Technologii i Inżynierii Chemicznej, Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, na temat projektu „Spójne oddziaływanie ekscytonów rydbergowskich z promieniowaniem elektromagnetycznym”.

 Jak można zdefiniować ekscytony rydbergowskie?

Można  powiedzieć, że ekscyton jest elementarnym wzbudzeniem kryształu.  W półprzewodniku ekscyton powstaje, gdy elektron pochłonie foton o energii większej niż przerwa energetyczna. Oderwany od macierzystego atomu elektron nie jest jednak całkowicie swobodny – zostaje po nim „dziura”, czyli puste miejsce po elektronie i te dwie cząstki się przyciągają, tworząc twór zbliżony do atomu wodoru. Stan energetyczny elektronu w atomie  opisują orbity numerowane przez kolejne numery – pierwsza, druga, trzecia…i rozmiary orbit  są coraz większe. W przypadku  ekscytonów rydbergowskich numer orbity może sięgać 50! To jest najbardziej fascynująca cecha – są olbrzymie, ta 50-ta orbita ma około 10 mikrometrów średnicy, a to jest to rozmiar zbliżony do grubości pajęczyny. Ustawmy 10 ekscytonów obok siebie, a dostaniemy grubość kartki papieru.   Ekscytony rydbergowskie są niezwykłymi strukturami stanowiącymi swoisty pomost między światem makroskopowym a kwantowym.

dr hab. Sylwia Zielińska-Raczyńska. prof. nadzw. UTP

Jak można zrozumieć ich istotę?

– Myślę, że głównym problemem w intuicyjnym zrozumieniu ekscytonów jest fakt, iż trzeba posłużyć się abstrakcją, jaką jest wspomniana dziura. Brak elektronu (ładunku ujemnego) traktujemy jako cząstkę o ładunku dodatnim. To tak, jak z cieniem – można opisywać jego kształt, ale nie jest on fizycznym obiektem – jest brakiem światła. Drugi problem polega na tym, że ekscyton jest obiektem kwantowym, a fizyka kwantowa po prostu nie jest intuicyjna i bardzo odbiega od tego, czego doświadczamy w naszym makroskopowym świecie. Aż tu nagle pojawia się ekscyton rydbergowski, który jest zdecydowanie makroskopowy, a przy tym kwantowy – z całym bagażem “dziwności” typu teleportacja.

Charakterystyką eksytonów rydbergowskich jest niewielka energia wiązania, prawda?

Tak, w porównaniu z atomami jest ona mała. Wynika to głównie z faktu, że orbita jest duża – gdy ładunki są daleko od siebie, to przyciągają się słabo i mało energii trzeba, by je rozdzielić. Ponadto elektron nie znajduje się próżni – jest wewnątrz półprzewodnika, widzi inne elektrony naokoło i to też osłabia jego związek z dziurą.

Jak powstają ekscytony?

-Tu pojawia się optyka, czyli nasz centralny temat badań. Elektron musi zabsorbować foton czyli kwant światła, by zyskać energię. Ten fakt jest podstawą działania ogromnej ilości urządzeń, od fotokomórki poczynając, na laserze kończąc. Nas interesuje sytuacja, gdy foton ma akurat dość energii, by elektron znalazł się w paśmie przewodnictwa, ale i  oddziaływał z dziurą, która po nim pozostała. Wiemy dokładnie, ile potrzeba energii, by przenieść elektron do konkretnego stanu wzbudzonego i to jest podstawa detekcji ekscytonów – świecimy światłem na półprzewodnik i widzimy, że konkretne długości fali (a zatem i odpowiadające im energie) są pochłaniane aż do momentu, gdy cała próbka wypełni się ekscytonami i nie ma miejsca na kolejne.

Są one większe niż długość fali światła, które je wytworzyła…fascynujące!

– Zazwyczaj gdy badamy oddziaływanie światła z atomami to zawsze mamy do czynienia z sytuacją, gdy atom jest tysiące razy mniejszy od długości fali światła. Jego punkt widzenia można porównać do owada siedzącego na liściu, który wpadł do morza. Owad czuje, że coś faluje – przecież porusza się raz w górę, raz w dół, ale nie jest w stanie dostrzec całej fali. Ekscytony rydbergowskie wywracają taki obraz do góry nogami – nagle to fala staje się mała. Nastręcza to pewnych trudności – wiele technik obliczeniowych zakłada, że fale są duże i mocno komplikuje się, gdy tak nie jest.

Co jest drogą docelową projektu, badań?

– Opis teoretyczny ekscytonów rydbergowskich w różnych układach fizycznych. Mamy nadzieję, że pewnego dnia nasze teoretyczne badania znajdą przełożenie na praktyczne zastosowania ekscytonów rydbergowskich. Są już pierwsze próby zaprzęgnięcia ich do obliczeń kwantowych, były propozycje zastosowania ekscytonów rydbergowskich jako źródła pojedynczych fotonów. My zaproponowaliśmy maser pracujący na ekscytonach rydbergowskich wytworzonych w krysztale tlenku miedzi – mikrofalowy odpowiednik lasera, jak dotąd bardzo trudny do zrealizowania w ciele stałym.

Na co głównie są ukierunkowane badania?

– Na rozwijanie teoretycznego opisu zachowania się ekscytonów rydbergowskich w różnych sytuacjach. Skoro wiemy, jak ekscyton pochłania światło, to co będzie, gdy umieścimy w polu magnetycznym lub elektrycznym? Albo w obu naraz? Generalnie można powiedzieć, że w jakimś sensie krok po kroku dodajemy kolejne komplikacje.

Czy już można powiedzieć o sukcesie badań?

– Na pewno, udało się nam już zrealizować kilka pomysłów. Sukcesy to:  zbadanie wpływu efektu ograniczenia przestrzennego (to się nazywa efekt uwięzienia w nanostrukturach) na oddziaływanie ekscytonów ze światłem, opracowanie i optymalizacja modelu masera zarówno impulsowego jaki i pracy ciągłej na ekscytonach rydbergowskich, zbadanie efektu Franza-Keldysha w ośrodku z ekscytonami rydbergowskimi oraz zbadanie ich właściwości nieliniowych (efekt Kerra), akurat te wyniki  mogą potencjalnie zostać w przyszłości wykorzystane do konstrukcji bramek kwantowych czy sterowalnych pamięci kwantowych.

OPUS nr 2017/25/B/ST3/00817

Dziękujemy za rozmowę.

Sebastian Wach

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Wpisz komentarz!
Wprowadź swoje imię

*