Neuhvatljivo uzbuđenje, čije postojanje nije eksperimentalno dokazano gotovo pola stoljeća, napokon se pokazalo istraživačima. O tome izvještava članak koji je istraživački tim pod vodstvom Petera Abbamontea objavio u časopisu Science.
Prisjetimo se ovoga ukratko. Prikladno je opisati kretanje elektrona u poluvodiču pomoću koncepta rupe - mjesta na kojem nedostaje elektron. Rupa, naravno, nije čestica poput elektrona ili protona. Unatoč tome, ponaša se poput čestice na mnogo načina. Na primjer, možete opisati njegovo kretanje i smatrati da on nosi pozitivan električni naboj. Stoga predmete poput rupe fizičari nazivaju kvazičesticama.
U kvantnoj mehanici postoje i druge kvazičestice. Na primjer, Cooperov par: duet elektrona koji se kreću u cjelini. Postoji i kvazičestica eksitona, koja je par elektrona i rupa.
Egzitoni su teoretski predviđeni 1930-ih. Mnogo kasnije otkriveni su eksperimentalno. Međutim, nikada prije nije primijećeno stanje materije poznato kao eksiton.
Objasnimo o čemu govorimo. I stvarne čestice i kvazičestice podijeljene su u dvije velike klase: fermioni i bozoni. Prvi uključuju, na primjer, protone, elektrone i neutrone, drugi - fotone.
Fermioni se pokoravaju fizikalnom zakonu poznatom kao Paulijev princip isključenja: dva fermiona u istom kvantnom sustavu (na primjer, dva elektrona u atomu) ne mogu biti u istom stanju. Usput, zahvaljujući ovom zakonu elektroni u atomu zauzimaju različite orbitale i nisu skupljeni cijelom gomilom na najprikladnijoj nižoj razini energije. Dakle, upravo su zbog Paulijevog principa kemijska svojstva elemenata periodnog sustava onakva kakva ih poznajemo.
Paulijeva zabrana ne odnosi se na bozone. Stoga, ako je moguće stvoriti jedinstveni kvantni sustav od mnogih bozona (u pravilu to zahtijeva izuzetno nisku temperaturu), tada se cijela tvrtka sretno akumulira u državi s najnižom energijom.
Takav se sustav ponekad naziva i Boseovim kondenzatom. Njegov je poseban slučaj poznati Bose-Einsteinov kondenzat, u kojem čitavi atomi djeluju kao bozoni (o ovom izvanrednom fenomenu također smo pisali). Za njegovo eksperimentalno otkriće dodijeljena je 2001. Nobelova nagrada za fiziku.
Promotivni video:
Spomenuta kvazičestica dvaju elektrona (Cooperov par) nije fermion, već bozon. Masivno stvaranje takvih parova dovodi do tako izuzetne pojave kao što je supravodljivost. Ujedinjenje fermiona u kvazičesticu-bozon svoj izgled duguje superfluidnosti u heliju-3.
Fizičari su dugo sanjali da će dobiti takav Boseov kondenzat u trodimenzionalnom kristalu (a ne u tankom filmu), kada se elektroni masovno kombiniraju s rupama da bi stvorili eksitone. Napokon, ekscitoni su i bozoni. To je stanje materije koje se naziva ekscitonija.
Znanstvenicima je izuzetno zanimljivo, kao i svako stanje u kojem makroskopski volumen materije pokazuje egzotična svojstva koja se mogu objasniti samo pomoću kvantne mehanike. Međutim, dosad to stanje nije bilo moguće eksperimentalno dobiti. Dapače, nije bilo moguće dokazati da je primljeno.
Činjenica je da se s obzirom na one parametre koji su podložni istraživanju pomoću postojećih tehnika (na primjer, struktura superrešetke), pobude se ne razlikuju od drugog stanja tvari, poznatog kao Peierlsova faza. Stoga znanstvenici nisu mogli sa sigurnošću reći koji su od ta dva uvjeta uspjeli postići.
Ovaj problem riješila je grupa Abbamonte. Istraživači su usavršili eksperimentalnu tehniku poznatu kao elektronska spektroskopija gubitka energije (EELS).
Tijekom ove vrste istraživanja fizičari bombardiraju materiju elektronima čija energija leži u ranije poznatom uskom rasponu. Nakon interakcije s uzorkom, elektron gubi dio svoje energije. Mjereći koliko su energije izgubili određeni elektroni, fizičari donose zaključke o ispitivanoj tvari.
Autori su mogli dodati informacije ovoj tehnici. Pronašli su način kako izmjeriti ne samo promjenu energije elektrona, već i promjenu njegovog zamaha. Nazvali su novu metodu M-EELS (engleska riječ za zamah znači "impuls").
Znanstvenici su odlučili testirati svoju inovaciju na kristalima titan dihalkogenid diklorohidrata (1T-TiSe2). Na njihovo iznenađenje, na temperaturama blizu minus 83 stupnjeva Celzijevih, pronašli su jasne znakove stanja koji prethodi stvaranju ekscitonija - takozvane faze mekih plazmona. Rezultati su reproducirani na pet različitih kristala.
"Ovaj rezultat ima kozmički značaj", rekao je Abbamonte u priopćenju za javnost. - Otkako je šezdesetih godina prošlog stoljeća teorijski fizičar s Harvarda Bert Halperin skovao pojam "uzbuđenje", fizičari su pokušali pokazati njegovo postojanje. Teoretičari su raspravljali o tome hoće li to biti izolator, idealan vodič ili suviše tekućina - uz neke uvjerljive argumente sa svih strana. Od 1970-ih mnogi eksperimentatori objavljuju dokaze o postojanju ekscitonije, ali njihovi rezultati nisu konačni dokazi i podjednako se pripisuju tradicionalnim strukturnim faznim prijelazima."
Prerano je govoriti o primjeni ekscitonija u tehnologiji, ali metoda koju su razvili znanstvenici omogućit će proučavanje drugih tvari u potrazi za ovim egzotičnim stanjem i proučavanjem njegovih svojstava. U budućnosti to može dovesti do značajnih tehničkih otkrića. Dovoljno je podsjetiti se, na primjer, da je otkriće superprovodljivosti omogućilo inženjerima stvaranje superjakih magneta. I dali su svijetu i Veliki hadronski sudarač i vlakove s mecima. A kvantni efekti također se koriste za stvaranje kvantnih računala. Čak i najčešća računala bila bi nemoguća da kvantna mehanika ne objasni ponašanje elektrona u poluvodiču. Dakle, temeljno otkriće koje je napravio Abbamonteov tim moglo bi donijeti najneočekivanije tehnološke rezultate.
Anatolij Glyantsev
