De ongrijpbare opwinding, waarvan het bestaan al bijna een halve eeuw niet experimenteel is bewezen, heeft zich eindelijk aan onderzoekers getoond. Dat meldt een artikel dat een onderzoeksteam onder leiding van Peter Abbamonte publiceerde in het tijdschrift Science.
Laten we dit in een notendop in herinnering brengen. Het is handig om de beweging van elektronen in een halfgeleider te beschrijven met behulp van het concept van een gat - een plaats waar een elektron ontbreekt. Het gat is natuurlijk geen deeltje zoals een elektron of een proton. Het gedraagt zich echter op veel manieren als een deeltje. U kunt bijvoorbeeld de beweging ervan beschrijven en bedenken dat deze een positieve elektrische lading heeft. Daarom worden objecten zoals een gat door natuurkundigen quasi-deeltjes genoemd.
Er zijn andere quasi-deeltjes in de kwantummechanica. Bijvoorbeeld een Cooper-paar: een duet van elektronen die als geheel bewegen. Er is ook een exciton-quasideeltje, een paar van een elektron en een gat.
Excitonen werden theoretisch voorspeld in de jaren dertig van de vorige eeuw. Veel later werden ze experimenteel ontdekt. Er is echter nooit een toestand waargenomen die bekend staat als exciton.
Laten we uitleggen waar we het over hebben. Zowel echte deeltjes als quasi-deeltjes zijn onderverdeeld in twee grote klassen: fermionen en bosonen. De eerste omvatten bijvoorbeeld protonen, elektronen en neutronen, de laatste - fotonen.
Fermionen gehoorzamen aan een natuurkundige wet die bekend staat als het Pauli-uitsluitingsprincipe: twee fermionen in hetzelfde kwantumsysteem (bijvoorbeeld twee elektronen in een atoom) kunnen niet in dezelfde toestand zijn. Het is overigens dankzij deze wet dat de elektronen in het atoom verschillende orbitalen bezetten en niet door de hele menigte worden verzameld op het meest "gemakkelijke" lagere energieniveau. Het is dus precies vanwege het Pauli-principe dat de chemische eigenschappen van de elementen van het periodiek systeem zijn zoals we ze kennen.
Pauli's verbod is niet van toepassing op bosonen. Daarom, als het mogelijk is om een verenigd kwantumsysteem te creëren uit vele bosonen (in de regel vereist dit een extreem lage temperatuur), dan hoopt het hele bedrijf zich gelukkig op in de staat met de laagste energie.
Zo'n systeem wordt ook wel een Bose-condensaat genoemd. Het speciale geval is het beroemde Bose-Einstein-condensaat, waar hele atomen als bosonen fungeren (we schreven ook over dit opmerkelijke fenomeen). Voor zijn experimentele ontdekking werd in 2001 de Nobelprijs voor natuurkunde toegekend.
Promotie video:
Het reeds genoemde quasi-deeltje van twee elektronen (Cooper-paar) is geen fermion, maar een boson. De massale vorming van dergelijke paren leidt tot zo'n opmerkelijk fenomeen als supergeleiding. De vereniging van fermionen tot een quasi-deeltje-boson dankt zijn verschijning aan superfluïditeit in helium-3.
Natuurkundigen hebben er lang van gedroomd om zo'n Bose-condensaat te verkrijgen in een driedimensionaal kristal (en niet in een dunne film), wanneer elektronen massaal worden gecombineerd met gaten om excitonen te vormen. Excitonen zijn immers ook bosonen. Het is deze toestand die opwinding wordt genoemd.
Het is buitengewoon interessant voor wetenschappers, zoals elke toestand waarin macroscopische volumes materie exotische eigenschappen vertonen die alleen kunnen worden verklaard met behulp van kwantummechanica. Het is echter tot dusverre niet mogelijk geweest om deze toestand experimenteel te verkrijgen. Het was veeleer niet mogelijk om te bewijzen dat het was ontvangen.
Feit is dat in termen van die parameters die vatbaar zijn voor onderzoek met behulp van bestaande technieken (bijvoorbeeld de structuur van een superrooster), excitonieën niet te onderscheiden zijn van een andere toestand van materie, bekend als de Peierls-fase. Daarom konden wetenschappers niet met zekerheid zeggen welke van de twee voorwaarden ze wisten te bereiken.
Dit probleem werd opgelost door de Abbamonte-groep. De onderzoekers hebben een experimentele techniek verfijnd die bekend staat als elektronen-energieverlies-spectroscopie (EELS).
In de loop van dit soort onderzoek bombarderen natuurkundigen materie met elektronen, waarvan de energie in een voorheen bekend smal bereik ligt. Na interactie met het monster verliest het elektron een deel van zijn energie. Door te meten hoeveel energie bepaalde elektronen hebben verloren, trekken natuurkundigen conclusies over de stof die wordt onderzocht.
De auteurs waren in staat om informatie aan deze techniek toe te voegen. Ze vonden een manier om niet alleen de verandering in de energie van een elektron te meten, maar ook de verandering in zijn momentum. Ze noemden de nieuwe methode M-EELS (het Engelse woord voor momentum betekent "impuls").
Wetenschappers besloten hun innovatie te testen op kristallen van titaniumdichalcogenide dichloorhydraat (1T-TiSe2). Tot hun verbazing ontdekten ze bij temperaturen van bijna -83 graden Celsius duidelijke tekenen van een toestand voorafgaand aan de vorming van excitonium - de zogenaamde fase van zachte plasmonen. De resultaten werden gereproduceerd op vijf verschillende kristallen.
"Dit resultaat heeft kosmische betekenis", zei Abbamonte in een persbericht. “Sinds de term 'excitony' in de jaren zestig werd bedacht door de theoretisch fysicus Bert Halperin van Harvard, hebben natuurkundigen geprobeerd het bestaan ervan aan te tonen. Theoretici debatteerden over de vraag of het een isolator, een ideale geleider of een supervloeistof zou zijn - met enkele dwingende argumenten van alle kanten. Sinds de jaren zeventig hebben veel onderzoekers bewijs gepubliceerd voor het bestaan van opwinding, maar hun resultaten waren geen sluitend bewijs en zijn evenzeer toe te schrijven aan traditionele structurele faseovergangen.
Het is te vroeg om te praten over de toepassingen van excitonium in technologie, maar de door wetenschappers ontwikkelde methode zal het mogelijk maken om andere stoffen te onderzoeken om naar deze exotische toestand te zoeken en de eigenschappen ervan te bestuderen. Dit kan in de toekomst leiden tot aanzienlijke technische doorbraken. Het volstaat bijvoorbeeld te herinneren dat het de ontdekking van supergeleiding was die ingenieurs in staat stelde supersterke magneten te maken. En ze gaven de wereld zowel de Large Hadron Collider als de bullet-treinen. En kwantumeffecten worden ook gebruikt om kwantumcomputers te maken. Zelfs de meest gewone computers zouden onmogelijk zijn als de kwantummechanica het gedrag van elektronen in een halfgeleider niet zou verklaren. De fundamentele ontdekking van het team van Abbamonte zou dus de meest onverwachte technologische resultaten kunnen opleveren.
Anatoly Glyantsev
