dr. hab. în ştiinţe fizico-matematice, prof.univ. Igor BELOUSOV,
cerecetător ştinţific principal al
Institutului de Fizică Aplicată al A.Ş.M.

În luna iunie a anului curent a văzut lumina tiparului la edituara Springer monografia „Resonance Effects of Excitons and Electrons. Basics and Appliations”, 283 pagini, semnată de membrul corespondent, profesorul universitar Ion Geru de la Institutul de Chimie al A.Ş.M şi profesorul Dieter Suter de la Univesritatea Tehnica din Dortmund, Germania. Monografia este dedicată savantului E.K. Zavoisky, care a descoperit în 1944 fenomenul de rezonanţă electronică paramagnetică, în ajunul împlinirii a 70 ani de la această descoperire. „Reprezintă prima carte despre efectele netradiţionale de rezonanţă a excitonilor în semicomductori” (www.springer.com).

Prefaţa (foreword) cărţii este scrisă de autorul metodei de rezonanţă magnetică nucleară bidimensională, laureatul Premiului Nobel, Profesorul Emerit Richard R. Ernst de la Insititutul Elveţian Federal de Tehnologii (laboratorul de chimie fizică) din Zürich. Acest fapt de la bun început sesizează cititorul, că este vorba despre o lucrare serioasă cu rezultate ştiinţifice netriviale, ceea ce se adevereşte în realitate.

Monografia conţine şapte capitole (1-7), în care se soluţionează şi se analizează unele probleme ce ţin de fenomenele de rezonanţă din fizica stării condensate cu includerea unei părţi din informaţie în 8 anexe (A-H), şi două capitole (8, 9), care se referă la informatica cuantică şi computere cuantice.

După cum menţionează şi autorii, în această carte sunt prezentate diferite tipuri de rezonanţă în sisteme de excitoni Wannier-Mott, biexcitoni şi centri paramagnetici de electroni localizaţi în solide, cum ar fi rezonanţa paramagnetică şi paraelectrică a excitonilor, rezonanţa acustică în cazul tranziţiilor intra- şi interseriale a excitonilor, rezonanţa dublă gol-nucleară în biexcitoni localizaţi, rezonanţa dublă electron-nucleară magneto-acustică în centri paramagnetici de electroni localizaţi, ş.a. Au fost determinate criteriile de generare de către excitoni a fotonilor coerenţi (în domeniul spectral infraroşu îndepărtat şi al microundelor), fononilor coerenţi şi a magnonilor coerenţi. În monografie sunt studiate interacţiunile excitonilor şi biexcitonilor cu centri paramagnetici şi spinii nucleelor atomice, precum şi intercaţiunea indirectă dintre centri paramagnetici prin intermediul excitonilor. S-au studiat deasemenea spectrele de cvasi-energie a sistemului format din excitoni şi fononii undei hipersonore monocromatice de intensitate înaltă şi a sistemului format de centri paramagnetici sau nuclee atomice cu spin arbitrar diferit de zero şi fotonii undei electromagnetice monocromatice (în domeniul radio- şi microundelor) de intensitate înaltă. S-a demonstrat că intercaţiunea dintre centri paramagnetici şi excitoni cauzează micşorarea (contractarea) timpului de relaxare spin-reţea a centrilor paramagnetici, datorită cuplajului Coulombian electron-gol în excitoni, în comparaţie cu cazul interacţiunii dintre centri paramagnetici şi electroni liberi.

Un rol deosebit aparţine descrieirii în capitotolul 6 a fenomenelor magneto-optice gigantice in semiconductorii semimagnetici: efectul Faraday gigantic, dicroismul magnetic circular gigantic, despicări gigantice a liniilor în spectrul de reflecţie a luminii în cristale cu excitoni şi impurităţi magnetice cu cocentraţii înalte în cîmp magnetic. Aceste efecte se datoresc despicărilor gigantice de spin a nivelelor energetice ale excitonilor în stare fundamentală (cu luare în consideraţie a degenerării după spin a benzilor de conducţie şi de valenţă). În semiconductori semimagnetici despicările gigantice de spin pot depăşi energia de legătură a excitonilor fără a avea loc anihilarea lor cu formarea electronilor în banda de conducţie şi a golurilor în banda de valenţă. Asemenea fenomene neobişnuite au fost observate pentru prima dată de către grupa profesorului S.M. Ryabchenko de la Institutul de Fizică al Academiei Naţionale de Ştiinţe a Ucrainei din Kiev în 1977 şi tot atunci intepretate teoretic de către unul dintre autorii monografiei (I.G.) [1]. Despicarea gigantică de spin se datoreşte interacţiunii de schimb dintre electronii şi golurile semiconductorului semimagnetic cu sistemul de impurităţi magnetice în cîmp magnetic. În acest caz asupra spinului electronului (golului) acţionează un cîmp magnetic efectiv, cauzat de interacţiunea de schimb, valoarea căruia depăşeşte cu mult intensităţile cîmpului magnetic exnerior utilizat de obicei în experienţele magneto-optice. Astfel se obţine o asemenea situaţie, cînd despicarea liniei spectrului dicroismului magnetic circular de reflecţie în componentele circular polarizate σ+ şi σ- în dependenţă de cîmpul magnetic exterior întocmai corespunde dependenţei de câmpul magnetic a funcţiei Brillouin BS(x) ce caracterizează magnetizarea sistemului de impurităţi magnetice cu spinul S, unde x este raportul dintre energia Zeeman şi energia termică.

Monografia conţine şi multe alte rezultate ştiinţifice neordinare privind efectele de rezonanţă din fizica stării condensate, printre care: pragul jos de excitare a generatoarelor de hiper- şi terasunet bazate pe interacţiunea exciton – fononică în semiconductori piezoelectrici; deplasarea izotopică gigantică a liniilor de rezonanţă excitonică paraelectrică (în cîmp electric cristalin) în domeniul microundelor, cauzată de interacţiunea exciton-fonon în cazul tranziţiilor cuantice între nivelele enegetice ce aparţin diferitelor serii excitonice; dependenţa nemonotonă de temperatură a ratei de relaxare nucleară spin-reţea cu maximum în domeniul temperaturilor joase în cazul interacţiunii hiperfine a excitonilor şi biexcitonilor cu spinii nucleelor atomice; creşterea bruscă a deplasării Knight a liniilor de rezonanţă magnetică nucleară, datorită intercaţiunii hiperfine de tip Fermi dintre spinii nucleari şi excitoni în vecinătatea temperaturii critice de tranziţie a excitonilor în stare de condensat Bose-Einstein, ca criteriu suplementar de confirmare a realizării acestei tranziţii de fază de orinul doi; evidenţierea inechivalenţei acustice „ascun-se” a nucleelor atomice cu spin, care trec unul in poziţia altuia sub acţiunea operatorului inversiei spaţiale, în spectrele de rezonanţă dublă electron-nucleară magneto-aucustică în cristale cu centru de simetrie; separarea în spectrul de rezonanţă dublă electron-nucleară magneto-acustică a contribuţiilor cauzate de deplasările nucleelor atomice, care se tranformă conform reprezentărilor ireductibile pare şi, respectiv, impare ale grupului de simetrie a centrului electronic paramagnetic; evidenţierea contribuţiei în procesele unifononice de relaxare nucleară spin-reţea a deplasărilor nucleelor, care se transformă după reprezentări ireductibile impare şi cauzează dependenţa anomală a timpului de relaxare de viteza hipersuntelui şi de cîmpul magnetic; demonstrarea existenţei porţinilor interzise în ramurile de jos ale spectrului de cvasi-energie a sistemului format din excitoni în două benzi energetice şi o undă acustică monocromatică cu intensitate înaltă în condiţii de rezonanţă în cazul, cînd distanţa dintre benzile excitonice este mai mare decât energia cinetică a excitonului ce se mişcă cu viteza hipersunetului; elaborarea metodei de diagonalizare a operatorului cvasi-energiei în cazul sistemului cu număr arbitrar de nivele energetice echidistante ce intracţionează cu o undă electromagnetică monocromatică cu amplitudine înaltă în condţii de rezonanţă; reducerea parţială a interacţiunii exciton-exciton şi îngustarea ca urmare a acestui efect a liniilor excitonice de absorbţie (emitere) a luminii sub acţiunea unei consecutivităţi din patru impulsuri de terasunet cu anumite tipuri de polarizare şi cu separarea a două tipuri de rezervoare termodinamice independente; interpretarea geometrică a transformării de reversare a timpului şi a teoremei Krammers; demonstarea faptului că 58 grupuri de simetrie magnetică în două culori tradiţional utilizate se referă, strict vorbind, numai la sistemele cu spin total întreg şi determinarea grupurilor de simetrie magnetică în patru culori, care se referă la sistemele cu spin total semiîntreg.

Acestea şi alte particularităţi ale interacţiunii sistemelor de spini cu perturbaţiile externe prezintă o gamă largă de posibilităţi pentru utilizarea lor cu scopul de păstrare şi procesare a informaţiei. Ca obiecte ale mecanicii cuantice, spinii se pot afla în stări de superpoziţie şi evoluţia lor temporală este dirijată de ecuaţia Schrödinger. Sistemele de spini cuplaţi pot forma elemente de bază ale componentelor cuantice. Se decriu etapele principale pentru procesarea informaţiei cuantice (capitolul 8), precum şi se testează unele sisteme de spini pentru procesarea informaţiei cuantice (capitolul 9): puncte (doturi) cuantice semiconductoare, centrul NV (nitrogen – vacancy) în diamant, 31P în siliciu, fullerene endohedrale, ionii pămănturilor rare, magniţi moleculari. Este propusă o metodă alternativă (secţia 8.11) de efectuare a calculelor cu computere cuantice, bazată pe reprezentarea bibozonică a momentului unghiular, valabilă pentru orice număr N de qubiţi (de exemplu, dacă N = 77, atunci numărul stărilor spinului efectiv corespunzător este de ordinea numărului lui Avogadro).

Astfel, editarea acestei monografii de către Springer prezintă un eveniment semnificativ pentru comunitatea ştiinţifică din Republica Moldova.

[1] A.V. Komarov, S.M. Ryabchenko, O.V. Terletsky, I.I. Zheru, I.D. Ivanchuk, Sov. Phys. JETF 46, 318 - 323 (1977), 1978 American Institute of Physics.