Excitarea evazivă, a cărei existență nu a putut fi dovedită experimental timp de aproape jumătate de secol, s-a arătat în cele din urmă cercetătorilor. Acest lucru este raportat într-un articol pe care o echipă de cercetători condusă de Peter Abbamonte a publicat-o în revista Science.
Să ne amintim acest lucru pe scurt. Este convenabil să descrieți mișcarea electronilor într-un semiconductor folosind conceptul de gaură - un loc în care lipsește un electron. Gaura, desigur, nu este o particulă precum un electron sau un proton. Cu toate acestea, se comportă ca o particulă în multe feluri. De exemplu, puteți să-i descrieți mișcarea și să considerați că are o sarcină electrică pozitivă. Prin urmare, obiectele precum o gaură sunt numite cvasiparticule de către fizicieni.
Există alte cvasiparticule în mecanica cuantică. De exemplu, o pereche Cooper: un duet de electroni care se mișcă în ansamblu. Există, de asemenea, o cvasiparticulă exciton, care este o pereche de electron și o gaură.
Teoriile au fost prezise teoretic în anii 1930. Mult mai târziu au fost descoperite experimental. Cu toate acestea, niciodată nu a fost observată o stare de materie cunoscută sub numele de exciton.
Să ne explicăm despre ce vorbim. Atât particulele reale, cât și cvasiparticulele sunt împărțite în două clase mari: fermioni și bosoni. Primii includ, de exemplu, protoni, electroni și neutroni, al doilea - fotoni.
Fermionii respectă o lege fizică cunoscută sub numele de principiul excluderii Pauli: doi fermioni din același sistem cuantic (de exemplu, doi electroni într-un atom) nu pot fi în aceeași stare. Apropo, datorită acestei legi, electronii din atom ocupă orbitali diferiți și nu sunt adunați de întreaga mulțime la cel mai "convenabil" nivel inferior de energie. Deci, tocmai datorită principiului Pauli, proprietățile chimice ale elementelor din tabelul periodic sunt așa cum le cunoaștem.
Interdicția lui Pauli nu se aplică bosonilor. Prin urmare, dacă este posibil să se creeze un sistem cuantic unificat din mai mulți bosoni (de regulă, acest lucru necesită o temperatură extrem de scăzută), atunci întreaga companie se acumulează fericit în statul cu cea mai mică energie.
Un astfel de sistem este uneori numit condensat Bose. Cazul său special este celebrul condensat Bose-Einstein, unde atomii întregi acționează ca bosoni (am scris și despre acest fenomen remarcabil). Pentru descoperirea sa experimentală, a fost acordat Premiul Nobel pentru fizică din 2001.
Video promotional:
Cvasiparticula deja menționată a doi electroni (perechea Cooper) nu este un fermion, ci un boson. Formarea masivă a unor astfel de perechi duce la un fenomen atât de remarcabil precum supraconductivitatea. Unirea fermionilor într-un cvasiparticula-boson își datorează aspectul superfluidității în heliu-3.
Fizicienii au visat de mult să obțină un astfel de condensat Bose într-un cristal tridimensional (și nu într-o peliculă subțire), când electronii se combină masiv cu găuri pentru a forma excitați. La urma urmei, excitonii sunt, de asemenea, bosoni. Această stare a materiei se numește excitie.
Este extrem de interesant pentru oamenii de știință, ca orice stare în care volumele macroscopice de materie prezintă proprietăți exotice care pot fi explicate doar folosind mecanica cuantică. Cu toate acestea, până acum nu a fost posibil să se obțină această stare experimental. Mai degrabă, nu a fost posibil să se demonstreze că a fost primit.
Faptul este că, în ceea ce privește acei parametri care pot fi investigați folosind tehnici existente (de exemplu, structura unei superrețele), excitonii nu se pot distinge de o altă stare a materiei, cunoscută sub numele de faza Peierls. Prin urmare, oamenii de știință nu au putut spune cu certitudine care dintre cele două condiții au reușit să le obțină.
Această problemă a fost rezolvată de grupul Abbamonte. Cercetătorii au perfecționat o tehnică experimentală cunoscută sub numele de spectroscopie de pierdere de energie electronică (EELS).
În cursul acestui tip de cercetare, fizicienii bombardează materia cu electroni, a căror energie se află într-un domeniu îngust cunoscut anterior. După interacțiunea cu proba, electronul își pierde din energie. Măsurând câtă energie a pierdut anumiți electroni, fizicienii trag concluzii despre substanța studiată.
Autorii au putut adăuga informații la această tehnică. Au găsit o modalitate de a măsura nu numai schimbarea energiei unui electron, ci și schimbarea impulsului său. Ei au numit noua metodă M-EELS (cuvântul englezesc pentru impuls înseamnă „impuls”).
Oamenii de știință au decis să își testeze inovația pe cristale de diclorcidură de titan diclorohidrat (1T-TiSe2). Spre surprinderea lor, la temperaturi apropiate de minus 83 de grade Celsius, au găsit semne clare ale unei stări anterioare formării excitoniului - așa-numita fază a plasmonilor moi. Rezultatele au fost reproduse pe cinci cristale diferite.
"Acest rezultat are o semnificație cosmică", a spus Abbamonte într-un comunicat de presă. - De când termenul „excitonie” a fost inventat în anii 1960 de către fizicianul teoretic de la Harvard, Bert Halperin, fizicienii au încercat să demonstreze existența acestuia. Teoreticienii au dezbătut dacă ar fi un izolator, un conductor ideal sau o substanță superfluidă - cu câteva argumente convingătoare din toate părțile. Începând cu anii 1970, mulți experimentatori au publicat dovezi ale existenței excitonii, dar rezultatele lor nu au fost dovezi concludente și pot fi atribuite în egală măsură tranziției tradiționale de fază structurală.
Este prea devreme pentru a vorbi despre aplicațiile excitoniului în tehnologie, dar metoda dezvoltată de oamenii de știință va permite studiul altor substanțe pentru a căuta această stare exotică și a studia proprietățile acesteia. În viitor, acest lucru poate duce la descoperiri tehnice semnificative. Este suficient să ne amintim, de exemplu, că descoperirea superconductivității a permis inginerilor să creeze magneți super-puternici. Și au dat lumii atât Marele Collider de Hadroni, cât și trenurile glonț. Și efectele cuantice sunt folosite și pentru a crea calculatoare cuantice. Chiar și cele mai comune computere ar fi imposibile dacă mecanica cuantică nu ar explica comportamentul electronilor într-un semiconductor. Deci, descoperirea fundamentală făcută de echipa lui Abbamonte ar putea aduce cele mai neașteptate rezultate tehnologice.
Anatoly Glyantsev
