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.
Ранее описывалось что такое квазичастицы вообще и так называемые дырки в частности.
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.
