Неуловимата възбуда, чието съществуване не може да бъде доказано експериментално почти половин век, най-накрая се показа пред изследователите. Това се съобщава в статия, която изследователски екип, ръководен от Питър Аббамонте, публикува в списание Science.
Нека си припомним това накратко. Удобно е да се опише движението на електроните в полупроводник, като се използва концепцията за дупка - място, където липсва електрон. Дупката, разбира се, не е частица като електрон или протон. Въпреки това той се държи като частица в много отношения. Например можете да опишете движението му и да помислите, че то носи положителен електрически заряд. Следователно обекти като дупка се наричат квазичастици от физиците.
В квантовата механика има и други квазичастици. Например двойка Купър: дует електрони, движещи се като цяло. Съществува и квазичастица на екситон, която е двойка електрон и дупка.
Теоретично са били предсказвани екситони през 30-те години. Много по-късно те бяха открити експериментално. Никога досега обаче не е наблюдавано състояние на материята, известно като екситон.
Нека обясним за какво говорим. И реалните частици, и квазичастиците са разделени на два големи класа: фермиони и бозони. Първите включват например протони, електрони и неутрони, а вторите - фотони.
Фермионите се подчиняват на физически закон, известен като принцип на изключване на Паули: две фермиони в една и съща квантова система (например два електрона в атом) не могат да бъдат в едно и също състояние. Между другото, благодарение на този закон електроните в атома заемат различни орбитали и не се събират от цялата тълпа на най-"удобното" по-ниско енергийно ниво. Така че именно поради принципа на Паули химическите свойства на елементите на периодичната система са такива, каквито ги познаваме.
Забраната на Паули не се отнася за бозони. Следователно, ако е възможно да се създаде единна квантова система от много бозони (като правило това изисква изключително ниска температура), тогава цялата компания щастливо се натрупва в държавата с най-ниска енергия.
Подобна система понякога се нарича бозе кондензат. Неговият специален случай е известният кондензат на Бозе-Айнщайн, където цели атоми действат като бозони (ние също писахме за това забележително явление). За експерименталното му откритие през 2001 г. е присъдена Нобелова награда за физика.
Промоционално видео:
Гореспоменатата квазичастица от два електрона (двойка Купър) не е фермион, а бозон. Масивното образуване на такива двойки води до такова забележително явление като свръхпроводимостта. Обединяването на фермионите в квазичастица-бозон дължи появата си на свръхфлуидността в хелий-3.
Физиците отдавна мечтаят да получат такъв Бозе кондензат в триизмерен кристал (а не в тънък филм), когато електроните масово се комбинират с дупки, за да образуват екситони. В крайна сметка екситоните също са бозони. Това състояние на материята се нарича възбуда.
Изключително интересно е за учените, както всяко състояние, в което макроскопичните обеми на материята проявяват екзотични свойства, които могат да бъдат обяснени само с помощта на квантова механика. Все още обаче не е възможно да се получи експериментално това състояние. По-скоро не беше възможно да се докаже, че е получено.
Факт е, че по отношение на онези параметри, които подлежат на изследване с помощта на съществуващи техники (например структурата на свръхрешетката), възбудите не се различават от друго материално състояние, известно като фазата на Пайерлс. Следователно учените не могат да кажат със сигурност кое от двете условия са успели да получат.
Този проблем беше решен от групата Abbamonte. Изследователите са усъвършенствали експериментална техника, известна като електронна спектроскопия на загуба на енергия (EELS).
В хода на този вид изследвания физиците бомбардират материя с електрони, чиято енергия се намира в известен по-рано тесен диапазон. След взаимодействие с пробата електронът губи част от енергията си. Измервайки колко енергия са загубили определени електрони, физиците правят изводи за изследваното вещество.
Авторите успяха да добавят информация към тази техника. Те намериха начин да измерват не само промяната в енергията на електрона, но и промяната в неговия импулс. Те нарекоха новия метод M-EELS (английската дума за инерция означава „импулс“).
Учените решиха да тестват своята иновация върху кристали от титанов дихалкогенид дихлорохидрат (1T-TiSe2). За тяхна изненада, при температури, близки до минус 83 градуса по Целзий, те откриха ясни признаци на състояние, предшестващо образуването на екситоний - така наречената фаза на меките плазмони. Резултатите са възпроизведени върху пет различни кристала.
„Този резултат има космическо значение“, каза Аббамонте в прессъобщение. „Тъй като терминът„ възбуда “е въведен през 60-те години от теоретичния физик на Харвард Берт Халперин, физиците се опитват да докажат съществуването му. Теоретиците спореха дали ще бъде изолатор, идеален проводник или свръхтечност - с някои убедителни аргументи от всички страни. От 70-те години насам много експериментатори публикуваха доказателства за съществуването на възбуда, но резултатите от тях не бяха убедителни доказателства и бяха еднакво отдадени на традиционните структурни фазови преходи."
Рано е да се говори за приложенията на екситония в технологиите, но методът, разработен от учените, ще позволи да се изследват други вещества, за да се търси това екзотично състояние и да се изследват неговите свойства. В бъдеще това може да доведе до значителни технически пробиви. Достатъчно е да си припомним например, че именно откриването на свръхпроводимостта е позволило на инженерите да създават свръхсилни магнити. И те дадоха на света както Големия адронен колайдер, така и влакове от куршуми. А квантовите ефекти също се използват за създаване на квантови компютри. Дори най-често срещаните компютри биха били невъзможни, ако квантовата механика не обяснява поведението на електроните в полупроводник. Така че фундаменталното откритие, направено от екипа на Abbamonte, може да донесе най-неочаквани технологични резултати.
Анатолий Глянцев