具有负质量的混合激子极化子粒子出人意料

对激子-极化子中负质量的惊人观察为这些奇怪的光物质混合粒子增加了另一个怪异维度。

来自量子科学与技术系(QST)的MatthiasWurdack博士、TingheYun博士和EliezerEstrecho博士在进行激子极化激元实验时意识到，在某些条件下，色散会反转——相当于负质量。

更令人惊讶的是，意外的原因竟然是损失。

“我们没想到——这种分散是在非常规的行为之后发生的，”Wurdack博士说，他是FLEET和QST的成员。

激子是由半导体晶体中的电子和空穴配对形成的。如果这一对随后与一个光子强烈耦合，就会形成一种称为激子-极化子的混合粒子。

激子-极化激元在30多年前首次被观察到，并已被证明具有非凡的特性，包括超流性和形成玻色-爱因斯坦凝聚体。世界各地的许多研究小组正在探索这些奇怪粒子的反直觉行为，希望它们能够支撑未来的低能量技术。

对负质量的观察让ElenaOstrovskaya教授小组的科学家们重新回到白板上，试图弄清楚是什么导致了这种效果。

实验的简单性是将单层二硫化钨集成在微腔中，这意味着它可以用一个简单的耦合振荡器模型来近似，因此几乎没有产生意想不到效果的可能性。该团队很快意识到，在他们的计算中，一个虚构的耦合常数(称为耗散耦合)复制了他们的观察结果。

然而，他们努力理解数学模型，直到他们研究了其他领域，例如微波腔，并意识到虚构的耦合常数可以等同于光物质系统的损失。

为了证实这一解释，该团队联系了由德国柏林工业大学AndreasKnorr教授领导的二维系统物理数值建模方面的专家。他团队的曼努埃尔·卡泽(ManuelKatzer)和马尔特·塞利格(MalteSelig)博士能够确认，负质量可能是由损失引起的——特别是由于原子级薄的半导体中激子-极化子和声子之间的相互作用。

计算还表明，随着激子-声子相互作用被关闭，质量从正变为负，随后在ANU进行的实验再现了这种行为。结果现已发表在NatureCommunications上。

Wurdack博士将激子极化子的行为比作湖​​上的小船。

“活性材料中的声子就像湖面上的波浪，会影响船只的运动——改变它们的方向，导致它们摇摆和倾覆。这会降低它们的动能，从而总体上导致动量、能量和占用数量的损失，“他说。

同样来自FLEET的Estrecho博士说，在寻求低能量技术时，科学家们竭尽全力减少或消除损失。

“通常，我们不希望损失，但在这里损失给了我们一些新东西，”他说。“它使我们能够向强耦合系统引入负质量。”

Wurdack博士说，这一发现是激子的另一个方面——极化子的反直觉行为。

“这种行为可用于色散工程，有可能探索新的物理学并创造出前所未有的设备。我无法预测未来使用这种色散工程的应用范围，但我希望未来能对此进行探索研究活动，”他说。