Команда исследователей решила изучить, как экситоны ведут себя в среде с большим числом свободных электронов — фермионов. Интуитивно ожидалось, что рост плотности электронов будет всё сильнее мешать движению экситонов, заставляя их петлять между занятыми состояниями и постепенно замирать. Эксперимент сначала подтверждал это предположение, но затем неожиданно показал противоположный эффект.

При очень высокой плотности электронов подвижность экситонов внезапно резко возросла. Несмотря на то что почти все доступные «места» в материале были заняты электронами, экситоны начали распространяться быстрее, чем в менее загруженной среде. Этот эффект оказался устойчивым: его воспроизвели на разных образцах, в разных лабораториях и даже на разных континентах.

Эксперимент проводился на специально созданном двумерном материале, состоящем из точно выровненных атомарных слоёв. Его структура формирует регулярную «решётку» энергетических состояний, в которых могут находиться либо одиночные электроны, либо экситоны. Число электронов в системе регулировалось с помощью приложенного напряжения, а экситоны создавались лазерным излучением. Их движение отслеживалось по свету, испускаемому при рекомбинации электрона и дырки.

Чтобы объяснить наблюдаемый эффект, экспериментаторы тесно работали с теоретиками. В итоге они пришли к выводу, что при экстремально высокой плотности электронов привычная «моногамия» экситонов нарушается. В таких условиях дырка внутри экситона перестаёт различать «свой» электрон и окружающие его другие электроны. Вместо устойчивой пары возникает динамический режим, в котором дырка быстро «переключается» между электронами.

Этот процесс, который исследователи назвали «немоногамной диффузией дырок», позволяет экситонам двигаться гораздо более прямолинейно и эффективно, минуя препятствия, которые в обычных условиях их замедляют. В результате экситоны проходят значительно большие расстояния до распада, что и проявляется как резкий рост их подвижности.

Важно, что переход в этот необычный режим достигается простым изменением электрического напряжения — параметра, который легко контролируется в современных устройствах. Это делает эффект потенциально полезным для практических приложений, в частности для технологий, основанных на экситонах, таких как новые типы солнечных элементов, оптоэлектронные компоненты и квантовые материалы с настраиваемыми свойствами.

По словам авторов работы, управление подвижностью квантовых частиц является фундаментальной задачей для будущих электронных и фотонных технологий. Открытый ими механизм показывает, что даже хорошо изученные квантовые объекты могут вести себя неожиданным образом в экстремальных условиях, открывая новые возможности для проектирования материалов с заданными свойствами.