Неуловимый экситоний найден
|
Неуловимый экситоний, существование которого не удавалось экспериментально доказать почти полвека, наконец показал себя исследователям. Об этом сообщается в статье, которую научная группа во главе с Питером Аббамонте (Peter Abbamonte) опубликовала в журнале Science. |
Напомним об этом в двух словах. Движение электронов в полупроводнике удобно описывать, используя понятие дырки – места, в котором не хватает электрона. Дырка, разумеется, не является частицей, такой как электрон или протон. Тем не менее она во многих отношениях ведёт себя подобно частице. Например, можно описать её движение и посчитать, что она несёт положительный электрический заряд. Поэтому такие объекты, как дырка, физики называют квазичастицами. |
Есть в квантовой механике и другие квазичастицы. Например, куперовская пара: дуэт электронов, движущийся как единое целое. Есть и квазичастица экситон, представляющая собой пару из электрона и дырки. Экситоны были теоретически предсказаны в 1930-х годах. Много позже они были обнаружены экспериментально. Однако никогда ещё не наблюдалось состояние вещества, известное как экситоний. Поясним, о чём идёт речь. Как настоящие частицы, так и квазичастицы делятся на два больших класса: фермионы и бозоны. К первым относятся, например, протоны, электроны и нейтроны, ко вторым – фотоны. |
Фермионы подчиняются физическому закону, известному как принцип запрета Паули: два фермиона в одной квантовой системе (например, два электрона в атоме) не могут находиться в одном и том же состоянии. К слову, именно благодаря этому закону электроны в атоме занимают разные орбитали, а не собираются всей толпой на самом "удобном" нижнем энергетическом уровне. Так что именно из-за принципа Паули химические свойства элементов таблицы Менделеева являются такими, какими мы их знаем. |
На бозоны запрет Паули не распространяется. Поэтому, если удаётся создать единую квантовую систему из многих бозонов (как правило, для этого необходима чрезвычайно низкая температура), то они всей компанией радостно скапливаются в состоянии с наименьшей энергией. |
Такая система иногда называется конденсатом Бозе. Её частным случаем является знаменитый конденсат Бозе-Эйнштейна, где в роли бозонов выступают целые атомы (мы писали и об этом замечательном явлении). За его экспериментальное открытие была вручена Нобелевская премия по физике 2001 года. |
Уже упоминавшаяся выше квазичастица из двух электронов (куперовская пара) – не фермион, а бозон. Массовое образование таких пар приводит к такому замечательному явлению, как сверхпроводимость. Объединению фермионов в квазичастицу-бозон обязана своим появлением и сверхтекучесть в гелии-3 . |
Физики давно мечтали получить в трёхмерном кристалле (а не в тонкой плёнке) такой конденсат Бозе, когда электроны массово объединяются с дырками в экситоны. Ведь экситоны – это тоже бозоны. Именно такое состояние вещества и называется экситонием. |
Оно чрезвычайно интересно учёным, как и любое состояние, в котором макроскопические объёмы материи демонстрируют экзотические свойства, которые можно объяснить только с помощью квантовой механики. Однако получить это состояние экспериментально до сих пор не удавалось. Вернее, не удавалось доказать, что оно получено. |
Дело в том, что по тем параметрам, которые поддавались исследованию с помощью существующих методик (например, строению сверхрешётки) , экситоний неотличим от другого состояния вещества, известного как фаза Пайерлса (Peierls phase). Поэтому учёные не могли сказать с уверенностью, какое из двух состояний им удалось получить. |
Эту проблему и решила группа Аббамонте. Исследователи усовершенствовали экспериментальную технику, известную как спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (по-английски electron energy-loss spectroscopy или EELS). |
В ходе такого рода исследования физики бомбардируют вещество электронами, энергия которых лежит в заранее известном узком диапазоне. После взаимодействия с образцом электрон теряет часть энергии. Измерив, сколько энергии потеряли определённые электроны, физики и делают выводы об исследуемом веществе. |
Авторы сумели добавить этой технике информативности. Они нашли способ измерять не только изменение энергии электрона, но и изменение его импульса. Новый метод они назвали M-EELS (английское слово momentum переводится как "импульс"). |
Своё новшество учёные решили опробовать на кристаллах дихлоргидрата дихалкогенида титана (1T-TiSe2). К своему удивлению, при температуре, близкой к минус 83 градусам Цельсия, они обнаружили явные признаки состояния, предшествующего образованию экситония – так называемой фазы мягких плазмонов. Результаты были воспроизведены на пяти разных кристаллах. |
"Этот результат имеет космическое значение, – приводит пресс-релиз слова Аббамонте. – С тех пор как термин "экситоний" был введён в 1960-х годах физиком-теоретиком из Гарварда Бертом Хальперином (Bert Halperin), физики пытались продемонстрировать его существование. Теоретики обсуждали, будет ли он изолятором, идеальным проводником или сверхтекучим веществом – с некоторыми убедительными аргументами со всех сторон. С 1970-х годов многие экспериментаторы опубликовали доказательства существования экситония, но их результаты не были окончательным доказательством и в равной степени объяснялись традиционным структурным фазовым переходом". |
О применениях экситония в технике пока говорить рано, но разработанный учёными метод позволит исследовать и другие вещества для поиска этого экзотического состояния и изучения его свойств. В дальнейшем это может привести к значимым техническим прорывам. Достаточно вспомнить, например, что именно открытие сверхпроводимости дало инженерам возможность создать сверхсильные магниты. А они подарили миру и Большой адронный коллайдер, и сверхскоростные поезда. А ещё квантовые эффекты используются для создания квантовых компьютеров. Да и самые обычные компьютеры были бы невозможны, если бы квантовая механика не объяснила поведение электронов в полупроводнике. Так что сделанное командой Аббамонте фундаментальное открытие может принести самые неожиданные технологические плоды. |
Источник |
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
|