Loading...

Фізики відкрили нову форму матерії — екситоніум

30 декабря 2017

Вперше ця загадкова форма матерії була теоретизована ще 50 років тому. Однак досі вчені не могли до кінця впевнитися, чи дійсно вона існує.

Невловимий екситон

Вперше екситон був теоретично передбачений в 1930-х роках. Ця частинка утворюється в дуже дивному квантово-механічному поєднанні. До складу цієї “пари” входить електрон “втікач” та дірка — місце, де не вистачає електрона. Хоча остання і не є частинкою, проте поводить себе подібно до неї: фізики можуть описати її рух та обчислити заряд. Подібні до дірки об’єкти у фізиці мають назву квазічастинок. Ще один приклад квазічастинки – куперівська пара (електрони, що рухаються як єдине ціле). Саме після поєднання електрона з діркою утворюється квазічастинка типу бозон — екситон.

Що ж таке екситоніум?

У світі частинок є одноосібники та вискочки ферміони (електрони, протони, нейтрони) та любителі “тусовок” бозони (це, наприклад, фотони). Все через те, що перші живуть за правилами, встановленими принципом Паулі, а другі його охоче порушують. Даний принцип проголошує, що два ферміони в одній квантовій системі не можуть знаходитися в одному й тому ж стані. Саме через принцип Паулі електрони поводять себе “цивілізовано”: вони не скупчуються в атомі на одному місці, а займають різні орбіталі. Зовсім інакше себе поводять бозони. Коли науковцям вдається створити з них квантову систему, то вони скупчуються в стані з найменшою енергією. Подібні “вечірки” бозонів називають конденсатом Бозе, й заповітною мрією фізиків вже не один рік було отримати такий конденсат у тривимірному кристалі, коли електрони масово об’єднуються з дірками в екситони. Такий стан речовини має назву екситоніум. Для нього характерні такі феноменальні фізичні явища як надпровідність, надтекучість та ін.

З того часу, як екситоніум був вперше запропонований в 1960-х роках фізиком-теоретиком з Гарварду Бертрандом Хальперином, його існування постійно, але безрезультатно намагалися довести. Річ у тім, що за тими параметрами, котрі досліджувалися з допомогою наявних методик, екситоніум ідентичний до стану речовини, відомого під назвою фаза Паєрлса.

Відкриття екситоніуму

Відкрити екситоніум вдалося професору фізики Пітеру Аббамонте зі своєю командою: аспірантами Аньшул Когар і Мінді Рак та колегами з Іллінойсу, Каліфорнійського університету, Берклі та Амстердамського університету. В ході дослідження вони використали нову техніку власної розробки. Для її створення було модифіковано метод дослідження EEL (спектроскопія енергетичних втрат електронів), котрий сам по собі міг вимірювати лише зміну енергії електрона. Нова методика отримала назву M-EELS або спектроскопія втрат енергії в електронному імпульсі.

Цікаво, що метою дослідників було зовсім не відкриття екситоніуму. Науковці просто хотіли перевірити ефективність M-EELS на кристалах дихлоргідрату дихалкогеніду титану (або 1T-TiSe2). Й зовсім неочікувано за температури -83,15°C (190 Кельвінів) фізики виявили ознаки фази м’яких плазмонів, що передує утворенню екситоніуму. Результаті були знову відтворені на п’яти різних кристалах. Сумнівів не лишилося – вчені довели існування екситоніуму. Як розповідає Рак:

“Хвилювання, викликане цим відкриттям, лишалось з нами протягом усього проекту”.
Значення цього відкриття важко переоцінити. Хоча зараз про практичне застосування екситоніуму говорити зарано, проте безумовно, це досягнення науковців увійде в історію світової науки та стане трампліном до відкриття інших квантовомеханічних таємниць й подальшого прогресу людства.

При использовании материалов сайта гиперссылка на pavlonews.info обязательна

No comments yet.

Имя (required)
E-mail (required - never shown publicly)
URI
Your Comment (уменьшить размер | увеличить размер) Вы можете использовать теги <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong> в своих комментариях.