Den undvigende excitony, hvis eksistens ikke kunne bevises eksperimentelt i næsten et halvt århundrede, viste sig endelig for forskere. Dette rapporteres i en artikel, som et forskergruppe ledet af Peter Abbamonte offentliggjorde i tidsskriftet Science.
Lad os huske dette i en nøddeskal. Det er praktisk at beskrive elektroners bevægelse i en halvleder ved hjælp af begrebet hul - et sted, hvor en elektron mangler. Hullet er selvfølgelig ikke en partikel såsom en elektron eller en proton. Det opfører sig imidlertid som en partikel på mange måder. For eksempel kan du beskrive dens bevægelse og overveje, at den bærer en positiv elektrisk ladning. Derfor kaldes objekter som et hul kvasipartikler af fysikere.
Der er andre kvasepartikler i kvantemekanik. For eksempel et Cooper-par: en duet af elektroner, der bevæger sig som en helhed. Der er også en exciton kvasipartikel, som er et par af et elektron og et hul.
Der blev teoretisk forudsagt excitons i 1930'erne. Meget senere blev de opdaget eksperimentelt. Imidlertid er en tilstand af sager kendt som excitony aldrig blevet observeret.
Lad os forklare, hvad vi taler om. Både virkelige partikler og kvasipartikler er opdelt i to store klasser: fermioner og bosoner. Førstnævnte inkluderer for eksempel protoner, elektroner og neutroner, sidstnævnte - fotoner.
Fermioner adlyder en fysisk lov kendt som Pauli-udelukkelsesprincippet: to fermioner i det samme kvantesystem (for eksempel to elektroner i et atom) kan ikke være i samme tilstand. Forresten er det takket være denne lov, at elektronerne i atomet optager forskellige orbitaler og ikke samles af hele mængden på det mest "bekvemme" lavere energiniveau. Så det er netop på grund af Pauli-princippet, at de kemiske egenskaber af elementerne i det periodiske system er som vi kender dem.
Paulis forbud gælder ikke for bosoner. Derfor, hvis det er muligt at oprette et samlet kvantesystem fra mange bosoner (som regel kræver dette en ekstremt lav temperatur), akkumuleres hele virksomheden med glæde i staten med den laveste energi.
Et sådant system kaldes undertiden et Bose-kondensat. Dens specielle tilfælde er det berømte Bose-Einstein-kondensat, hvor hele atomer fungerer som bosoner (vi skrev også om dette bemærkelsesværdige fænomen). For sin eksperimentelle opdagelse blev Nobelprisen i fysik i 2001 tildelt.
Salgsfremmende video:
Ovennævnte kvasipartikel med to elektroner (Cooper-par) er ikke en fermion, men et boson. Den massive dannelse af sådanne par fører til et så bemærkelsesværdigt fænomen som superledningsevne. Foreningen af fermioner til et kvasipartikel-boson skyldes dets udseende til overflødighed i helium-3.
Fysikere har længe drømt om at opnå et sådant Bose-kondensat i en tredimensionel krystal (og ikke i en tynd film), når elektroner massivt kombineres med huller for at danne excitoner. Når alt kommer til alt er excitons også bosoner. Det er denne tilstand af sagen, der kaldes excitony.
Det er yderst interessant for forskere som enhver tilstand, hvor makroskopiske mængder stof udviser eksotiske egenskaber, der kun kan forklares ved hjælp af kvantemekanik. Det har imidlertid hidtil ikke været muligt at opnå denne tilstand eksperimentelt. Det var snarere ikke muligt at bevise, at det blev modtaget.
Faktum er, at med hensyn til de parametre, der kan undersøges ved hjælp af eksisterende teknikker (for eksempel strukturen af et supergitter), kan excitonies ikke skelnes fra en anden tilstand af stoffer, kendt som Peierls-fasen. Derfor kunne forskere ikke med sikkerhed sige, hvilke af de to betingelser de formåede at opnå.
Dette problem blev løst af Abbamonte-gruppen. Forskerne har perfektioneret en eksperimentel teknik kendt som elektronenergitabsspektroskopi (EELS).
I løbet af denne form for forskning bombarderer fysikere sager med elektroner, hvis energi ligger i et tidligere kendt smalt område. Efter interaktion med prøven mister elektronen noget af sin energi. Ved at måle, hvor meget energi visse elektroner har mistet, drager fysikere konklusioner om det stof, der undersøges.
Forfatterne var i stand til at tilføje information til denne teknik. De fandt en måde at måle ikke kun ændringen i en elektrons energi, men også ændringen i dens momentum. De kaldte den nye metode M-EELS (det engelske ord for momentum betyder "impuls").
Forskere besluttede at teste deres innovation på krystaller af titandichalcogenid-dichlorhydrat (1T-TiSe2). Til deres overraskelse fandt de ved temperaturer tæt på minus 83 grader Celsius klare tegn på en tilstand forud for dannelsen af excitonium - den såkaldte fase af bløde plasmoner. Resultaterne blev gengivet på fem forskellige krystaller.
”Dette resultat har kosmisk betydning,” sagde Abbamonte i en pressemeddelelse.”Siden udtrykket 'excitony' blev opfundet i 1960'erne af Harvard teoretiske fysiker Bert Halperin, har fysikere forsøgt at demonstrere dets eksistens. Teoretikere diskuterede, om det ville være en isolator, en ideel leder eller en superfluid - med nogle overbevisende argumenter fra alle sider. Siden 1970'erne har mange eksperimenter offentliggjort beviser for eksistensen, men deres resultater har ikke været afgørende bevis og kan ligeledes tilskrives traditionelle strukturelle faseovergange.
Det er for tidligt at tale om anvendelsen af excitonium i teknologien, men metoden udviklet af forskere vil tillade undersøgelse af andre stoffer at søge efter denne eksotiske tilstand og studere dens egenskaber. I fremtiden kan dette føre til betydelige tekniske gennembrud. Det er tilstrækkeligt at huske for eksempel, at det var opdagelsen af superledningsevne, der gjorde det muligt for ingeniører at skabe superstærke magneter. Og de gav verden både Large Hadron Collider og kugletog. Og kvanteeffekter bruges også til at oprette kvantecomputere. Selv de mest almindelige computere ville være umulige, hvis kvantemekanik ikke forklarede elektroners opførsel i en halvleder. Så den grundlæggende opdagelse foretaget af Abbamonte's team kunne bringe de mest uventede teknologiske resultater.
Anatoly Glyantsev
