Vaikea kiihkeys, jonka olemassaoloa ei voitu kokeellisesti todistaa lähes puolen vuosisadan ajan, osoittautui vihdoin tutkijoille. Tästä kerrotaan artikkelissa, jonka Peter Abbamonteen johtama tutkimusryhmä julkaisi Science-lehdessä.
Muistakaamme tämä pähkinänkuoressa. On kätevää kuvata elektronien liike puolijohteessa käyttämällä reiän käsitettä - paikkaa, josta elektroni puuttuu. Reikä ei tietenkään ole hiukkanen, kuten elektroni tai protoni. Siitä huolimatta se käyttäytyy hiukkasena monin tavoin. Voit esimerkiksi kuvata sen liikettä ja ajatella, että sillä on positiivinen sähkövaraus. Siksi fyysikot kutsuvat esineitä, kuten reikää, kvashiukkasiksi.
Kvanttimekaniikassa on muita kvashiukkasia. Esimerkiksi Cooper-pari: elektronien duetti, joka liikkuu kokonaisuutena. Siellä on myös exciton-kvasipartikkeli, joka on pari elektroneja ja reikiä.
Eksitoneja ennustettiin teoreettisesti 1930-luvulla. Paljon myöhemmin ne löydettiin kokeellisesti. Kuitenkin koskaan ennen ei ole havaittu eksitoniona tunnettua aineen tilaa.
Selittäkäämme, mistä puhumme. Sekä todelliset hiukkaset että kvasipartikkelit on jaettu kahteen suureen luokkaan: fermionit ja bosonit. Ensimmäisiin kuuluvat esimerkiksi protonit, elektronit ja neutronit, jälkimmäiset - fotonit.
Fermionit noudattavat fyysistä lakia, joka tunnetaan nimellä Paulin poissulkemisperiaate: kaksi fermionia samassa kvanttijärjestelmässä (esimerkiksi kaksi elektronia atomissa) eivät voi olla samassa tilassa. Muuten, tämän lain ansiosta atomin elektronit vievät eri kiertoradat, eikä koko väkijoukko kerää niitä "mukavimmalla" alemmalla energiatasolla. Joten juuri Pauli-periaatteen takia jaksollisen järjestelmän elementtien kemialliset ominaisuudet ovat sellaiset, kuin tunnemme ne.
Paulin kielto ei koske bosoneja. Siksi, jos on mahdollista luoda yksi kvanttijärjestelmä monista bosoneista (pääsääntöisesti tämä vaatii erittäin matalan lämpötilan), koko yritys kerääntyy onnellisesti tilaan, jolla on pienin energia.
Tällaista järjestelmää kutsutaan joskus Bosen kondensaatiksi. Sen erityistapaus on kuuluisa Bose-Einstein-kondensaatti, jossa kokonaiset atomit toimivat bosoneina (kirjoitimme myös tästä merkittävästä ilmiöstä). Kokeellisesta löydöstään jaettiin vuoden 2001 fysiikan Nobel-palkinto.
Mainosvideo:
Jo mainittu kahden elektronin kvartsipartikkeli (Cooper-pari) ei ole fermion, vaan bosoni. Tällaisten parien massiivinen muodostuminen johtaa sellaiseen merkittävään ilmiöön kuin suprajohtavuus. Fermionien yhdistyminen kvasipartikkelibosoniksi johtuu sen ulkonäöstä helium-3: n superfluiditeetille.
Fyysikot ovat pitkään haaveilleet tällaisen Bose-kondensaatin saamisesta kolmiulotteisessa kiteessä (eikä ohutkalvossa), kun elektronit yhdistyvät massiivisesti reikien kanssa muodostaen eksitoneja. Loppujen lopuksi eksitonit ovat myös bosoneja. Tätä aineen tilaa kutsutaan kiihottumiseksi.
Se on tutkijoille erittäin mielenkiintoinen, kuten mikä tahansa tila, jossa aineen makroskooppisilla määrillä on eksoottisia ominaisuuksia, jotka voidaan selittää vain kvanttimekaniikalla. Tätä tilaa ei kuitenkaan ole tähän mennessä ollut mahdollista saada kokeellisesti. Sen sijaan ei ollut mahdollista todistaa, että se oli vastaanotettu.
Tosiasia on, että niiden parametrien suhteen, jotka voidaan tutkia olemassa olevilla tekniikoilla (esimerkiksi superhilan rakenne), excitoniat eivät ole erotettavissa toisesta aineen tilasta, joka tunnetaan nimellä Peierls-vaihe. Siksi tiedemiehet eivät voineet sanoa varmuudella kumpi näistä ehdoista onnistui.
Abbamonte-ryhmä ratkaisi tämän ongelman. Tutkijat ovat parantaneet kokeellista tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä elektronien energian menetysspektroskopia (EELS).
Tämäntyyppisen tutkimuksen aikana fyysikot pommittavat ainetta elektroneilla, joiden energia on aiemmin tunnetulla kapealla alueella. Vuorovaikutuksessa näytteen kanssa elektroni menettää osan energiastaan. Mittaamalla kuinka paljon energiaa tietyt elektronit ovat menettäneet, fyysikot tekevät päätelmät tutkittavasta aineesta.
Kirjoittajat pystyivät lisäämään tietoa tähän tekniikkaan. He löysivät tavan mitata paitsi elektronin energian muutosta myös sen vauhdin muutosta. He nimeivät uuden menetelmän M-EELS: ksi (englanninkielinen sana "impulssi" tarkoittaa "impulssi").
Tutkijat päättivät testata innovaatioitaan titaanidikalkogenididikloorihydraatin (1T-TiSe2) kiteillä. Yllätyksekseen he löysivät lämpötiloissa, jotka olivat lähellä miinus 83 celsiusastetta, selkeät merkit tilasta, joka edeltää eksitoniumin muodostumista - ns. Tulokset toistettiin viidellä eri kiteellä.
"Tällä tuloksella on kosminen merkitys", Abbamonte sanoi lehdistötiedotteessa. - Harvardin teoreettinen fyysikko Bert Halperin otti 1960-luvulla käyttöön termin "kiihkoilu". Teoreetikot keskustelivat siitä, olisiko se eriste, ihanteellinen johdin vai superneste - kaikilla puolilla pakottavia argumentteja. 1970-luvulta lähtien monet kokeilijat ovat julkaisseet todisteita kiihtyvyyden olemassaolosta, mutta niiden tulokset eivät ole olleet vakuuttavia todisteita, ja ne ovat yhtä lailla johtuvia perinteisistä rakennevaiheista.
On liian aikaista puhua eksitoniumin sovelluksista tekniikassa, mutta tutkijoiden kehittämä menetelmä sallii muiden aineiden tutkimuksen etsiä tätä eksoottista tilaa ja tutkia sen ominaisuuksia. Tulevaisuudessa tämä voi johtaa merkittäviin teknisiin läpimurtoihin. Riittää, kun muistetaan esimerkiksi, että suprajohtavuuden löytäminen antoi insinööreille mahdollisuuden luoda erittäin vahvoja magneetteja. Ja he antoivat maailmalle sekä suuren hadronin törmäyslaitteen että luodijunan. Ja kvanttiefektejä käytetään myös kvanttitietokoneiden luomiseen. Jopa yleisimmät tietokoneet olisivat mahdottomia, jos kvanttimekaniikka ei selittäisi elektronien käyttäytymistä puolijohteessa. Joten Abbamonten tiimin tekemä perusteellinen löytö voi tuoda odottamattomimmat tekniset tulokset.
Anatoly Glyantsev