Немецкие ученые впервые в истории смогли увидеть рождение полярона — квазичастицы, чье существование больше 90 лет назад предсказал выдающийся советский физик Лев Ландау.
Когда электрон движется сквозь полярный кристалл, его отрицательный заряд притягивает положительно заряженные ядра атомов, заставляя кристаллическую решетку деформироваться. Электрон и искажение решетки продолжают движение вместе как единое целое. Идею существования поляронов первым выдвинул Лев Ландау в 1933 году, а в 1950-х годах процесс появления таких объектов описал немецко-британский исследователь Герберт Фрёлих.
В 2026 году команда специалистов из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана первой в мире проследила за возникновением поляронов в реальном времени.
Используя сверхбыстрый метод визуализации, физики экспериментально доказали то, что теория предсказывала десятилетиями: электрон теряет энергию и набирает массу. Они также определили время формирования полярона и его пространственные размеры. Результаты опубликованы в научном журнале Physical Review Materials.
Как объяснил руководитель исследования Йохен Фельдман, электрон окружает облако фононов — так называют колебания кристаллической решетки. Это облако движется вместе с электроном, кардинально меняя его свойства.
Для электрона это, должно быть, ощущается так, словно он сошел с асфальтированной дороги и теперь пробирается через грязь
Исследователи применили чрезвычайно сложную современную технику — времяразрешающую фотоэмиссионную электронную микроскопию. Чтобы проследить за энергией и импульсом электронов в кристалле, исследователи объединили сверхбыструю лазерную спектроскопию с фотоэлектронной микроскопией. Измерения проводились в совместном проекте с Наньянским технологическим университетом в Сингапуре.
Метод работает так: первый лазерный импульс возбуждает электрон в полупроводнике, переводя его в зону проводимости, где он начинает взаимодействовать с колебаниями решетки и формирует полярон. Второй импульс полностью высвобождает электрон из материала, и он летит через вакуум к детектору.
Двухмесячная измерительная кампания в Сингапуре сменилась интенсивным компьютерным анализом в Мюнхене. Результат оказался впечатляюще точным. За время формирования полярона — 160 фемтосекунд (1 фемтосекунда = 0,000000000000001 с) — эффективная масса электрона удваивалась, а энергия падала.
Ученые уверены, что их работа имеет большое значение как для планирования будущих экспериментов, так и для разработки различных устройств.
Эксперименты показали, что полярон формируется за 160 фемтосекунд, при этом масса лежащего в его основе электрона удваивается, а энергия — падает.Источник: Мюнхенский университета Людвига-Максимилиана
