Den svårfångade excitony, vars existens inte kunde bevisas experimentellt i nästan ett halvt sekel, visade sig äntligen för forskare. Detta rapporteras i en artikel som ett forskargrupp under ledning av Peter Abbamonte publicerade i tidskriften Science.
Låt oss komma ihåg detta i ett nötskal. Det är bekvämt att beskriva elektronernas rörelse i en halvledare med hjälp av begreppet hål - en plats där en elektron saknas. Hålet är naturligtvis inte en partikel som en elektron eller en proton. Ändå beter den sig som en partikel på många sätt. Du kan till exempel beskriva dess rörelse och överväga att den bär en positiv elektrisk laddning. Därför kallas föremål som ett hål kvasipartiklar av fysiker.
Det finns andra kvasipartiklar i kvantmekanik. Till exempel ett Cooper-par: en duett av elektroner som rör sig som en helhet. Det finns också en exciton quasiparticle, som är ett elektronpar och ett hål.
Teorier förutses teoretiskt på 1930-talet. Mycket senare upptäcktes de experimentellt. Emellertid har ett tillstånd av materia som kallas excitony aldrig observerats.
Låt oss förklara vad vi pratar om. Både riktiga partiklar och kvasipartiklar är uppdelade i två stora klasser: fermioner och bosoner. De förstnämnda inkluderar till exempel protoner, elektroner och neutroner, de senare - fotoner.
Fermions följer en fysisk lag som kallas Pauli-uteslutningsprincipen: två fermioner i samma kvantsystem (till exempel två elektroner i en atom) kan inte vara i samma tillstånd. Förresten är det tack vare denna lag som elektronerna i atomen upptar olika orbitaler och inte samlas av hela publiken på den mest "bekväma" lägre energinivån. Så det är just på grund av Pauli-principen att de kemiska egenskaperna hos elementen i det periodiska systemet är som vi känner dem.
Paulis förbud gäller inte bosoner. Därför, om det är möjligt att skapa ett enda kvantsystem från många bosoner (som regel kräver detta en extremt låg temperatur), ackumuleras hela företaget gärna i staten med den lägsta energin.
Ett sådant system kallas ibland ett Bose-kondensat. Dess speciella fall är det berömda Bose-Einstein-kondensatet, där hela atomer fungerar som bosoner (vi skrev också om detta anmärkningsvärda fenomen). För hans experimentella upptäckt delades 2001 ut Nobelpriset i fysik.
Kampanjvideo:
Ovan nämnda kvasipartikel med två elektroner (Cooper-par) är inte en fermion, utan en boson. Den massiva bildningen av sådana par leder till ett så anmärkningsvärt fenomen som supraledning. Föreningen av fermioner till en kvaspartikelboson beror på superfluiditet i helium-3.
Fysiker har länge drömt om att få ett sådant Bose-kondensat i en tredimensionell kristall (och inte i en tunn film), när elektroner massivt kombineras med hål för att bilda excitoner. När allt kommer omkring är excitoner också bosoner. Det är detta tillstånd som kallas excitony.
Det är extremt intressant för forskare, liksom alla tillstånd där makroskopiska materialvolymer uppvisar exotiska egenskaper som bara kan förklaras med kvantmekanik. Det har dock ännu inte varit möjligt att få detta tillstånd experimentellt. Det var snarare inte möjligt att bevisa att det mottogs.
Faktum är att när det gäller de parametrar som kan undersökas med hjälp av befintliga tekniker (till exempel strukturen hos ett supergitter), skiljs excitonier inte från ett annat tillståndstillstånd, känt som Peierls-fasen. Därför kunde forskare inte säga med säkerhet vilken av de två villkoren de lyckades uppnå.
Detta problem löstes av Abbamonte-gruppen. Forskare har perfektionerat en experimentell teknik som kallas elektronenergiförlustspektroskopi (EELS).
Under denna typ av forskning bombarderar fysiker materien med elektroner, vars energi ligger i ett tidigare känt smalt område. Efter interaktion med provet tappar elektronen en del av sin energi. Genom att mäta hur mycket energi vissa elektroner har förlorat drar fysiker slutsatser om ämnet som studeras.
Författarna kunde lägga till information till denna teknik. De hittade ett sätt att mäta inte bara förändringen i en elektronens energi utan också förändringen i dess momentum. De namngav den nya metoden M-EELS (det engelska ordet för momentum betyder "impuls").
Forskare bestämde sig för att testa sin innovation på kristaller av titandikalkogenid-diklorhydrat (1T-TiSe2). Till sin förvåning upptäckte de vid temperaturer nära minus 83 grader Celsius tydliga tecken på ett tillstånd före bildandet av excitonium - den så kallade fasen av mjuka plasmoner. Resultaten reproducerades på fem olika kristaller.
"Detta resultat har kosmisk betydelse", sade Abbamonte i ett pressmeddelande.”Sedan termen” excitony”myntades på 1960-talet av Harvards teoretiska fysiker Bert Halperin, har fysiker försökt demonstrera dess existens. Teoretiker diskuterade om det skulle vara en isolator, en idealisk ledare eller en superfluid substans - med några övertygande argument från alla håll. Sedan 1970-talet har många experter publicerat bevis för excitony, men deras resultat har inte varit avgörande bevis och kan också hänföras till traditionella strukturövergångar.
Det är för tidigt att prata om tillämpningarna av excitonium i teknik, men metoden som utvecklats av forskare gör det möjligt att undersöka andra ämnen för att söka efter detta exotiska tillstånd och studera dess egenskaper. I framtiden kan detta leda till betydande tekniska genombrott. Det räcker att till exempel komma ihåg att det var upptäckten av supraledning som gjorde det möjligt för ingenjörer att skapa superstarka magneter. Och de gav världen både Large Hadron Collider och kultåg. Och kvanteffekter används också för att skapa kvantdatorer. Även de vanligaste datorerna skulle vara omöjliga om kvantmekanik inte förklarade elektronernas beteende i en halvledare. Så den grundläggande upptäckten av Abbamontees team kan ge de mest oväntade tekniska resultaten.
Anatoly Glyantsev
