Izmuzljivo vznemirjenje, katerega obstoj že skoraj pol stoletja ni bil eksperimentalno dokazan, se je končno pokazalo raziskovalcem. O tem poroča članek, ki ga je raziskovalna skupina pod vodstvom Petra Abbamonteja objavila v reviji Science.
Spomnimo se tega na kratko. Primerno je opisati gibanje elektronov v polprevodniku s pomočjo koncepta luknje - mesta, kjer manjka elektron. Luknja seveda ni delček, kot je elektron ali proton. Vendar se v mnogih pogledih obnaša kot delec. Na primer, lahko opišete njegovo gibanje in menite, da nosi pozitiven električni naboj. Zato predmeti, kot je luknja, fiziki imenujejo kvazidelci.
V kvantni mehaniki obstajajo še drugi kvazidelci. Na primer Cooperjev par: duet elektronov, ki se gibljejo kot celota. Obstaja tudi eksiton kvazi delček, ki je par elektrona in luknje.
Eksitone so teoretično napovedovali v tridesetih letih 20. stoletja. Veliko kasneje so jih odkrili eksperimentalno. Vendar stanja snovi, znanega kot ekscitonija, še ni bilo opaženo.
Pojasnimo, o čem govorimo. Tako realni delci kot kvazi delci so razdeljeni v dva velika razreda: fermioni in bozoni. Med prve spadajo na primer protoni, elektroni in nevtroni, v druge pa fotoni.
Fermioni upoštevajo fizikalni zakon, znan kot Paulijevo načelo izključitve: dva fermiona v istem kvantnem sistemu (na primer dva elektrona v atomu) ne moreta biti v istem stanju. Mimogrede, po zaslugi tega zakona elektroni v atomu zasedajo različne orbitale in jih celotna množica ne zbere na najbolj "priročni" nižji energijski ravni. Kemijske lastnosti elementov periodnega sistema so takšne, kot jih poznamo, ravno zaradi Paulijevega načela.
Pavlijeva prepoved ne velja za bozone. Če je torej mogoče iz številnih bozonov ustvariti en sam kvantni sistem (praviloma to zahteva izredno nizko temperaturo), potem se celotno podjetje z veseljem kopiči v državi z najnižjo energijo.
Tak sistem včasih imenujemo tudi Bosejev kondenzat. Njegov poseben primer je znameniti Bose-Einsteinov kondenzat, kjer cel atomi delujejo kot bozoni (o tem izjemnem pojavu smo tudi pisali). Za njegovo eksperimentalno odkritje je bila leta 2001 podeljena Nobelova nagrada za fiziko.
Promocijski video:
Zgoraj omenjeni kvazidelec dveh elektronov (Cooperjev par) ni fermion, temveč bozon. Ogromna tvorba takih parov vodi do tako izjemnega pojava, kot je superprevodnost. Združevanje fermionov v kvazi-delček-bozon svoj videz dolguje superfluidnosti v heliju-3.
Fiziki že dolgo sanjajo, da bi dobili takšen Bosejev kondenzat v tridimenzionalnem kristalu (in ne v tankem filmu), ko se elektroni množično kombinirajo z luknjami in tvorijo eksitone. Navsezadnje so tudi ekscitoni bozoni. To stanje snovi imenujemo ekscitonija.
Za znanstvenike je izredno zanimivo, tako kot vsako stanje, v katerem imajo makroskopske količine snovi eksotične lastnosti, ki jih je mogoče razložiti le s pomočjo kvantne mehanike. Vendar pa doslej tega stanja ni bilo mogoče pridobiti eksperimentalno. Namesto tega ni bilo mogoče dokazati, da je bil prejet.
Dejstvo je, da se glede na tiste parametre, ki jih je mogoče raziskati z obstoječimi tehnikami (na primer struktura superrešetke), ekscitonije ni mogoče razlikovati od drugega stanja snovi, znanega kot Peierlsova faza. Zato znanstveniki niso mogli z gotovostjo trditi, katerega od obeh pogojev so uspeli doseči.
Ta problem je rešila skupina Abbamonte. Raziskovalci so izpopolnili eksperimentalno tehniko, znano kot elektronska spektroskopija izgube energije (EELS).
Med tovrstnimi raziskavami fiziki zasipajo snov z elektroni, katerih energija leži v prej znanem ozkem območju. Po interakciji z vzorcem elektron izgubi del energije. Z merjenjem, koliko energije so nekateri elektroni izgubili, fiziki sklepajo o preučevani snovi.
Avtorji so tej tehniki lahko dodali informacije. Našli so način, kako izmeriti ne samo spremembo energije elektrona, temveč tudi spremembo njegovega zagona. Novo metodo so poimenovali M-EELS (angleška beseda za gibanje pomeni "impulz").
Znanstveniki so se odločili, da bodo svojo inovacijo preizkusili na kristalih titanov dihalkogenid diklorohidrat (1T-TiSe2). Na njihovo presenečenje so pri temperaturah blizu minus 83 stopinj Celzija našli jasne znake stanja pred nastankom ekscitonija - tako imenovane faze mehkih plazmonov. Rezultati so bili reproducirani na petih različnih kristalih.
"Ta rezultat ima vesoljski pomen," je dejal Abbamonte v sporočilu za javnost. - Ker je izraz "ekscitonija" v šestdesetih letih prejšnjega stoletja skoval teoretični fizik s Harvarda Bert Halperin, so fiziki poskušali dokazati njegov obstoj. Teoretiki so z nekaterimi prepričljivimi argumenti z vseh strani razpravljali, ali bi bil to izolator, idealen vodnik ali supertekočina. Od sedemdesetih let prejšnjega stoletja številni eksperimentatorji objavljajo dokaze o obstoju ekscitonije, vendar njihovi rezultati niso prepričljivi in jih je mogoče pripisati tradicionalnim strukturnim faznim prehodom.
Prezgodaj je govoriti o uporabi ekscitonija v tehnologiji, toda metoda, ki so jo razvili znanstveniki, bo omogočila preučevanje drugih snovi za iskanje tega eksotičnega stanja in preučevanje njegovih lastnosti. V prihodnosti lahko to privede do pomembnih tehničnih prebojev. Dovolj je, da se na primer spomnimo, da je odkritje superprevodnosti inženirjem omogočilo ustvarjanje supermočnih magnetov. Svetu so dali tako Veliki hadronski trkalnik kot vlake s kroglami. In kvantni učinki se uporabljajo tudi za ustvarjanje kvantnih računalnikov. Tudi najbolj običajni računalniki bi bili nemogoči, če kvantna mehanika ne bi razložila vedenja elektronov v polprevodniku. Tako bi lahko temeljno odkritje Abbamontejeve ekipe prineslo najbolj nepričakovane tehnološke rezultate.
Anatolij Glyantsev