Den unnvikende eksitonien, hvis eksistens ikke kunne bevises eksperimentelt i nesten et halvt århundre, viste seg endelig for forskere. Dette rapporteres i en artikkel som et forskerteam ledet av Peter Abbamonte publiserte i tidsskriftet Science.
La oss huske dette i et nøtteskall. Det er praktisk å beskrive bevegelsen til elektroner i en halvleder ved hjelp av begrepet hull - et sted der et elektron mangler. Hullet er selvfølgelig ikke en partikkel som et elektron eller et proton. Imidlertid oppfører den seg som en partikkel på mange måter. For eksempel kan du beskrive bevegelsen og vurdere at den har en positiv elektrisk ladning. Derfor kalles gjenstander som et hull kvasipartikler av fysikere.
Det er andre kvasepartikler i kvantemekanikken. For eksempel et Cooper-par: en duett med elektroner som beveger seg som en helhet. Det er også en exciton quasiparticle, som er et par av et elektron og et hull.
Excitons ble teoretisk spådd på 1930-tallet. Mye senere ble de oppdaget eksperimentelt. Imidlertid har en tilstand av saker kjent som excitony aldri blitt observert.
La oss forklare hva vi snakker om. Både virkelige partikler og kvasipartikler er delt inn i to store klasser: fermioner og bosoner. Førstnevnte inkluderer for eksempel protoner, elektroner og nøytroner, sistnevnte - fotoner.
Fermioner adlyder en fysisk lov kjent som Pauli-utelukkelsesprinsippet: to fermioner i samme kvantesystem (for eksempel to elektroner i et atom) kan ikke være i samme tilstand. Forresten, det er takket være denne loven at elektronene i atomet okkuperer forskjellige orbitaler, og ikke blir samlet av hele mengden på det mest "praktiske" lavere energinivået. Så det er nettopp på grunn av Pauli-prinsippet at de kjemiske egenskapene til elementene i det periodiske systemet er slik vi kjenner dem.
Paulis forbud gjelder ikke bosoner. Derfor, hvis det er mulig å lage et enkelt kvantesystem fra mange bosoner (som regel krever dette en ekstremt lav temperatur), akkumuleres hele selskapet lykkelig i staten med lavest energi.
Et slikt system kalles noen ganger et Bose-kondensat. Spesielt tilfelle er det berømte Bose-Einstein-kondensatet, der hele atomer fungerer som bosoner (vi skrev også om dette bemerkelsesverdige fenomenet). For sin eksperimentelle oppdagelse ble Nobelprisen i fysikk i 2001 tildelt.
Kampanjevideo:
Den allerede nevnte kvasepartikkelen til to elektroner (Cooper-par) er ikke en fermion, men et boson. Den massive dannelsen av slike par fører til et så bemerkelsesverdig fenomen som superledningsevne. Sammenslåingen av fermioner til et kvasipartikkel-boson skyldes utseendet til overflødighet i helium-3.
Fysikere har lenge drømt om å skaffe et slikt Bose-kondensat i en tredimensjonal krystall (og ikke i en tynn film), når elektroner massivt kombineres med hull for å danne eksitoner. Tross alt er eksitoner også bosoner. Det er denne tilstanden som kalles excitony.
Det er ekstremt interessant for forskere, som enhver tilstand der makroskopiske materievolumer viser eksotiske egenskaper som bare kan forklares ved hjelp av kvantemekanikk. Imidlertid har det ennå ikke vært mulig å oppnå denne tilstanden eksperimentelt. Snarere var det ikke mulig å bevise at den ble mottatt.
Fakta er at når det gjelder parametrene som kan undersøkes ved hjelp av eksisterende teknikker (for eksempel strukturen til et supergitter), kan eksitonier ikke skilles fra en annen tilstand av tilstand, kjent som Peierls-fasen. Derfor kunne forskere ikke si med sikkerhet hvilken av de to forholdene de klarte å oppnå.
Dette problemet ble løst av Abbamonte-gruppen. Forskerne har perfeksjonert en eksperimentell teknikk kjent som elektron energy-loss spectroscopy (EELS).
I løpet av denne typen forskning bombarderer fysikere materie med elektroner, hvis energi ligger i et tidligere kjent smalt område. Etter å ha samhandlet med prøven, mister elektronen noe av energien. Ved å måle hvor mye energi visse elektroner har mistet, trekker fysikere konklusjoner om stoffet som studeres.
Forfatterne klarte å legge til informasjon til denne teknikken. De fant en måte å måle ikke bare endringen i energien til et elektron, men også endringen i momentum. De kalte den nye metoden M-EELS (det engelske ordet for momentum betyr "impuls").
Forskere bestemte seg for å teste deres innovasjon på krystaller av titandikalkogenid-diklorhydrat (1T-TiSe2). Til deres overraskelse fant de ved temperaturer nær minus 83 grader Celsius klare tegn på en tilstand som gikk foran dannelsen av excitonium - den såkalte fasen av myke plasmoner. Resultatene ble gjengitt på fem forskjellige krystaller.
"Dette resultatet har kosmisk betydning," sa Abbamonte i en pressemelding. - Siden begrepet "excitony" ble laget på 1960-tallet av den teoretiske fysikeren fra Harvard, Bert Halperin, har fysikere prøvd å demonstrere dens eksistens. Teoretikere diskuterte om det ville være en isolator, en ideell leder eller et superfluid stoff - med noen overbevisende argumenter fra alle sider. Siden 1970-tallet har mange eksperimenter publisert bevis for eksistensen, men resultatene deres har ikke vært avgjørende bevis og kan tilskrives tradisjonelle strukturelle faseoverganger.
Det er for tidlig å snakke om anvendelsene av excitonium i teknologi, men metoden utviklet av forskere vil tillate å undersøke andre stoffer for å søke etter denne eksotiske tilstanden og studere dens egenskaper. I fremtiden kan dette føre til betydelige tekniske gjennombrudd. Det er nok å huske for eksempel at det var oppdagelsen av superledningsevne som gjorde det mulig for ingeniører å lage supersterke magneter. Og de ga verden både Large Hadron Collider og kuletog. Og kvanteeffekter brukes også til å lage kvantecomputere. Selv de vanligste datamaskinene ville være umulige hvis kvantemekanikken ikke forklarte oppførselen til elektroner i en halvleder. Så den fundamentale oppdagelsen gjort av Abbamonte team kunne gi de mest uventede teknologiske resultatene.
Anatoly Glyantsev
