A megfoghatatlan izgatottság, amelynek létezését csaknem fél évszázadon keresztül nem lehetett kísérletileg bizonyítani, végül megmutatta magát a kutatóknak. Erről beszámolt egy cikk, amelyet egy kutatócsoport Peter Abbamonte vezetésével tett közzé a Science folyóiratban.
Idézzük fel ezt dióhéjban. Kényelmes egy félvezetőben az elektronok mozgását leírni egy lyuk fogalmával - egy olyan helyen, ahol hiányzik egy elektron. A lyuk természetesen nem olyan részecske, mint egy elektron vagy egy proton. Sok szempontból azonban részecskeként viselkedik. Például leírhatja mozgását, és úgy gondolhatja, hogy pozitív elektromos töltést hordoz. Ezért az objektumokat, például egy lyukat, a fizikusok kvázirészecskéknek nevezik.
A kvantummechanikában más kvázirészecskék is vannak. Például egy Cooper-pár: elektronok duettje, amely egészében mozog. Van még egy exciton kvázirészecske, amely egy elektron és egy lyuk pár.
Az excitonokat elméletileg az 1930-as években jósolták meg. Sokkal később kísérleti úton fedezték fel őket. Azonban még soha nem figyelték meg az exciton néven ismert állapotot.
Magyarázzuk el, miről beszélünk. A valódi részecskék és a kvázirészecskék egyaránt két nagy osztályra oszthatók: fermionokra és bozonokra. Az előbbiek közé tartoznak például a protonok, elektronok és neutronok, az utóbbiak - fotonok.
A fermionok betartják a Pauli kizárási elvként ismert fizikai törvényt: két fermion ugyanabban a kvantumrendszerben (például két elektron egy atomban) nem lehet ugyanabban az állapotban. Egyébként ennek a törvénynek köszönhető, hogy az atomban lévő elektronok különböző pályákat foglalnak el, és az egész tömeg nem gyűjti össze őket a legkényelmesebb alacsonyabb energiaszinten. Tehát éppen a Pauli-elv miatt a periódusos rendszer kémiai tulajdonságai olyanok, amilyeneket mi ismerünk.
Pauli tiltása nem vonatkozik a bozonokra. Ezért ha sok bozonból egységes kvantumrendszert lehet létrehozni (ehhez általában rendkívül alacsony hőmérsékletre van szükség), akkor az egész társaság boldogan halmozódik fel a legkisebb energiájú állapotban.
Az ilyen rendszert néha Bose-kondenzátumnak nevezik. Különleges esete a híres Bose-Einstein kondenzátum, ahol az egész atomok bozonként működnek (erről a figyelemre méltó jelenségről is írtunk). Kísérleti felfedezéséért a 2001. évi fizikai Nobel-díjat ítélték oda.
Promóciós videó:
A fent említett két elektron részecske (Cooper-pár) nem fermion, hanem bozon. Az ilyen párok tömeges kialakulása olyan figyelemre méltó jelenséghez vezet, mint a szupravezetés. A fermionok kvázirészecske-bozonná egyesülése megjelenését a hélium-3 szuperfolyékonyságának köszönheti.
A fizikusok régóta arról álmodoznak, hogy ilyen Bose-kondenzátumot kapjanak egy háromdimenziós kristályban (és nem vékony filmben), amikor az elektronok masszívan egyesülnek lyukakkal, hogy excitonokat képezzenek. Végül is az excitonok is bozonok. Ezt az anyagállapotot hívják izgatásnak.
Rendkívül érdekes a tudósok számára, mint minden olyan állapot, amelyben az anyag makroszkopikus térfogata olyan egzotikus tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek csak kvantummechanikával magyarázhatók. Ezt az állapotot azonban kísérleti úton eddig nem sikerült megszerezni. Inkább nem sikerült bizonyítani, hogy megkapták.
Az a tény, hogy azokat a paramétereket tekintve, amelyek a meglévő technikák alkalmazásával történő vizsgálatra alkalmasak (például egy szuperrács szerkezete), az excitoniumok nem különböztethetők meg az anyag egy másik állapotától, amelyet Peierls fázisnak neveznek. Ezért a tudósok nem tudták biztosan megmondani, hogy a két feltétel közül melyiket sikerült elérniük.
Ezt a problémát az Abbamonte csoport oldotta meg. A kutatók tökéletesítették az elektronenergia-veszteség spektroszkópia (EELS) néven ismert kísérleti technikát.
Az ilyen jellegű kutatások során a fizikusok elektronokkal bombázzák az anyagot, amelynek energiája egy korábban ismert szűk tartományban fekszik. A mintával való kölcsönhatás után az elektron elveszíti energiájának egy részét. Annak mérésével, hogy egyes elektronok mennyi energiát vesztettek, a fizikusok következtetéseket vonnak le a vizsgált anyagról.
A szerzők információkat tudtak hozzáadni ehhez a technikához. Megtalálták a módját, hogy ne csak az elektron energiájának változását, hanem annak lendületét is mérjék. M-EELS-nek nevezték el az új módszert (az angol impulzus szó jelentése „impulzus”).
A tudósok úgy döntöttek, hogy titán-dikalkogenid-diklórhidrát (1T-TiSe2) kristályain tesztelik innovációjukat. Meglepetésükre a mínusz 83 Celsius-fok közeli hőmérsékleten egyértelmű jeleket találtak az excitonium képződését megelőző állapotra - az úgynevezett lágy plazmon fázisra. Az eredményeket öt különböző kristályon reprodukáltuk.
"Ennek az eredménynek kozmikus jelentősége van" - mondta Abbamonte sajtóközleményében. „Amióta az 1960-as években az„ izgatottság”kifejezést Bert Halperin, a Harvard elméleti fizikusa találta ki, a fizikusok megpróbálták bemutatni annak létezését. Az elméleti szakemberek arról vitatkoztak, hogy szigetelő, ideális vezető vagy szuperfolyadék lesz-e - minden oldalról néhány meggyőző érvvel. Az 1970-es évek óta sok kísérletező publikált bizonyítékot az izgatottság létezésére, de eredményeik nem voltak meggyőző bizonyítékok, és ugyanúgy a hagyományos strukturális fázisátmenetnek tulajdoníthatók.
Túl korai az excitonium technológiában való alkalmazásáról beszélni, de a tudósok által kifejlesztett módszer lehetővé teszi más anyagok tanulmányozásával, hogy ezt az egzotikus állapotot felkutassák és tanulmányozzák annak tulajdonságait. A jövőben ez jelentős technikai áttörésekhez vezethet. Elég csak felidézni, hogy a szupravezetés felfedezése tette lehetővé a mérnökök számára, hogy szupererős mágneseket hozzanak létre. És adták a világnak mind a nagy hadronütközőt, mind a golyósvonatokat. És a kvantum effektusokat kvantum számítógépek létrehozására is felhasználják. Még a legáltalánosabb számítógépek is lehetetlenek lennének, ha a kvantummechanika nem magyarázná meg az elektronok viselkedését egy félvezetőben. Tehát az Abbamonte csapatának alapvető felfedezése a legváratlanabb technológiai eredményeket hozhatja.
Anatolij Glyantsev