Nieuchwytna ekscytacja, której istnienia nie można było eksperymentalnie udowodnić przez prawie pół wieku, w końcu dała o sobie znać badaczom. Jest to opisane w artykule opublikowanym przez zespół badawczy pod kierownictwem Petera Abbamonte w czasopiśmie Science.
Przypomnijmy to w skrócie. Ruch elektronów w półprzewodniku wygodnie jest opisać pojęciem dziury - miejsca, w którym brakuje elektronu. Dziura nie jest oczywiście cząstką, taką jak elektron czy proton. Jednak pod wieloma względami zachowuje się jak cząstka. Na przykład możesz opisać jego ruch i wziąć pod uwagę, że niesie dodatni ładunek elektryczny. Dlatego obiekty takie jak dziury są nazywane przez fizyków kwazicząstkami.
W mechanice kwantowej istnieją inne kwazicząstki. Na przykład para Coopera: duet elektronów poruszających się jako całość. Istnieje również kwazicząstka ekscytonu, która jest parą elektronu i dziury.
Ekscytony teoretycznie przewidywano w latach trzydziestych XX wieku. Dużo później odkryto je eksperymentalnie. Jednak nigdy nie zaobserwowano stanu skupienia zwanego ekscytonią.
Wyjaśnijmy, o czym mówimy. Zarówno cząstki rzeczywiste, jak i kwazicząstki są podzielone na dwie duże klasy: fermiony i bozony. Do pierwszych należą np. Protony, elektrony i neutrony, do drugich - fotony.
Fermiony podlegają prawu fizycznemu znanemu jako zasada wykluczenia Pauliego: dwa fermiony w tym samym układzie kwantowym (na przykład dwa elektrony w atomie) nie mogą znajdować się w tym samym stanie. Nawiasem mówiąc, to dzięki temu prawu elektrony w atomie zajmują różne orbitale i nie są gromadzone przez cały tłum na najbardziej „dogodnym” niższym poziomie energii. A więc to właśnie z powodu zasady Pauliego właściwości chemiczne pierwiastków układu okresowego są takie, jakie znamy.
Zakaz Pauliego nie dotyczy bozonów. Dlatego, jeśli możliwe jest stworzenie pojedynczego układu kwantowego z wielu bozonów (z reguły wymaga to ekstremalnie niskiej temperatury), to cała firma szczęśliwie gromadzi się w stanie o najniższej energii.
Taki system jest czasami nazywany kondensatem Bose. Jej szczególnym przypadkiem jest słynny kondensat Bosego-Einsteina, w którym całe atomy działają jak bozony (pisaliśmy też o tym niezwykłym zjawisku). Za jego eksperymentalne odkrycie przyznano Nagrodę Nobla z fizyki w 2001 roku.
Film promocyjny:
Wspomniana już kwazicząstka dwóch elektronów (para Coopera) nie jest fermionem, ale bozonem. Masowe tworzenie się takich par prowadzi do tak niezwykłego zjawiska, jak nadprzewodnictwo. Zjednoczenie fermionów w kwazicząstkę-bozon zawdzięcza swój wygląd nadciekłości w helu-3.
Fizycy od dawna marzyli o uzyskaniu takiego kondensatu Bosego w trójwymiarowym krysztale (a nie w cienkiej warstwie), gdy elektrony masowo łączą się z dziurami, tworząc ekscytony. W końcu ekscytony też są bozonami. To jest ten stan materii, który nazywa się ekscytacją.
Jest to niezwykle interesujące dla naukowców, jak każdy stan, w którym makroskopijne objętości materii wykazują egzotyczne właściwości, które można wyjaśnić jedynie za pomocą mechaniki kwantowej. Jednak do tej pory nie było możliwe uzyskanie tego stanu eksperymentalnie. Raczej nie można było udowodnić, że został odebrany.
Faktem jest, że pod względem tych parametrów, które można badać przy użyciu istniejących technik (na przykład struktura supersieci), ekscytony są nie do odróżnienia od innego stanu skupienia, znanego jako faza Peierlsa. Dlatego naukowcy nie mogli z całą pewnością powiedzieć, który z dwóch warunków udało im się uzyskać.
Ten problem został rozwiązany przez grupę Abbamonte. Naukowcy udoskonalili technikę eksperymentalną znaną jako spektroskopia utraty energii elektronów (EELS).
W toku tego rodzaju badań fizycy bombardują materię elektronami, których energia mieści się w znanym wcześniej wąskim zakresie. Po interakcji z próbką elektron traci część swojej energii. Mierząc, ile energii straciły określone elektrony, fizycy wyciągają wnioski na temat badanej substancji.
Autorzy byli w stanie dodać informacje do tej techniki. Znaleźli sposób na zmierzenie nie tylko zmiany energii elektronu, ale także zmiany jego pędu. Nazwali nową metodę M-EELS (angielskie słowo oznaczające momentum oznacza „impuls”).
Naukowcy postanowili przetestować swoją innowację na kryształach dichlorohydratu dichalkogenidku tytanu (1T-TiSe2). Ku ich zaskoczeniu, w temperaturach zbliżonych do minus 83 stopni Celsjusza, odkryli wyraźne oznaki stanu poprzedzającego powstanie ekscytonu - tak zwanej fazy miękkich plazmonów. Wyniki zostały odtworzone na pięciu różnych kryształach.
„Ten wynik ma kosmiczne znaczenie” - powiedział Abbamonte w komunikacie prasowym. „Odkąd termin„ ekscytonia”został wymyślony w latach 60. XX wieku przez fizyka teoretyka z Harvardu Berta Halperina, fizycy próbowali wykazać jego istnienie. Teoretycy debatowali, czy byłby to izolator, idealny przewodnik czy nadciek - z kilkoma przekonującymi argumentami ze wszystkich stron. XX wieku wielu eksperymentatorów opublikowało dowody na istnienie ekscytonii, ale ich wyniki nie były rozstrzygającym dowodem i można je w równym stopniu przypisać tradycyjnej strukturalnej przemianie fazowej.
Jest jeszcze za wcześnie, aby mówić o zastosowaniach ekscytonu w technologii, ale opracowana przez naukowców metoda pozwoli na badanie innych substancji w celu poszukiwania tego egzotycznego stanu i badania jego właściwości. W przyszłości może to doprowadzić do znaczących przełomów technicznych. Wystarczy przypomnieć, na przykład, że to odkrycie nadprzewodnictwa umożliwiło inżynierom stworzenie supermocnych magnesów. I dali światu zarówno Wielki Zderzacz Hadronów, jak i pociągi pocisków. Efekty kwantowe są również wykorzystywane do tworzenia komputerów kwantowych. Nawet najpopularniejsze komputery byłyby niemożliwe, gdyby mechanika kwantowa nie wyjaśniła zachowania elektronów w półprzewodniku. Zatem fundamentalne odkrycie dokonane przez zespół Abbamonte może przynieść najbardziej nieoczekiwane rezultaty technologiczne.
Anatoly Glyantsev