Ученым удалось впервые изучить экситониум, экзотическую форму материи

Ученым-физикам из университета Иллинойса (University of Illinois) удалось обнаружить и изучить новую форму материи, которая называется экситониум (excitonium). Эта форма представляет собой конденсат из квазичастиц, экситонов, и эта форма материи существовала только в теории на протяжении почти 50 лет, несмотря на то, что ученым периодически удавалось получать в своих экспериментах некоторые намеки, указывающие на ее существование. И только недавно исследователям из Иллинойса, наконец, удалось получить неоспоримые доказательства существования экситониума.

© Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Законы физики, действующие на квантовом уровне, кардинально отличаются от законов обычной физики, действующей на макро-уровне. Своего рода связующим звеном между этими двумя физиками является так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, скопление частиц или квазичастиц, которые объединяются, синхронизируют свое поведение и начинают вести себя, словно одна большая частица или квазичастица.

Экситоны — это вид квазичастиц, которые возникают внутри полупроводниковых материалов. Когда электрон, находящийся на краю валентной зоны, пересекает запрещенную зону и попадает в зону проводимости, он оставляет за собой пустое место, электронную дырку. Эта дырка является квазичастицей, носителем положительного электрического заряда. Иногда положительно заряженная дырка и отрицательно заряженный электрон притягиваются друг к другу и соединяются, образуя новую квазичастицу, называемую экситоном.

Как и у других частиц и квазичастиц, у экситона имеется «базовое квантовое состояние». Находящиеся в этом состоянии экситоны могут скапливаться и формировать экситониум, необычную форму материи, которая до последнего времени была чисто теоретическим понятием.

«Понятие экситониума было введено в обиход в 1960-х годах Бертраном Халперином (Bert Halperin), теоретическим физиком из Гарварда. И, начиная с того момента физики-экспериментаторы пытались найти доказательства существования этой формы материи» — рассказывает Питер Аббэмонте (Peter Abbamonte), ведущий исследователь, — «Ученые много спорили о свойствах этого вида материи, одни считали, что экситониум является изолятором, другие — сверхпроводником, обладающим, к тому же, свойствами сверхтекучей жидкости. И самым интересным является то, что сторонники таких кардинально противоположных мнений имели достаточно веские экспериментальные доказательства своей правоты».

Ученые из Иллинойса производили наблюдения при помощи метода M-EELS (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy), который реализуется при помощи комбинации различных научных инструментов и который позволяет измерить уровень коллективного возбуждения экситонов вне зависимости от их импульса. Объектом исследований был материал из вида переходных дихалькогенидов, диселенид титана (1T-TiSe2), охлажденный до 190 Келвинов (-83 градуса Цельсия).

Температура охлаждения материала лежала очень близко к критической точке, когда материал переходит в так называемую «мягкую плазмонную фазу», которая существует только в очень узком температурном диапазоне и которую никто еще не видел ранее. Перед самым моментом перехода в эту фазу исследователи отметили возникновение в нем скоплений и уплотнений экситонов, что и стало доказательством существования экситониума.

К сожалению, в настоящее время невозможно разработать практические технологии, в которых будет использованы необычные свойства экситониума. Однако, по мнению ученых, сделанное ими открытие позволит пролить свет на некоторые из особенностей и странностей мира квантовой физики.

По материалам newatlas.com
Статья опубликована в журнале Science
Источник: dailytechinfo.org