Nepolapiteľné vzrušenie, ktorého existencia nebola experimentálne dokázaná takmer pol storočia, sa nakoniec ukázalo vedcom. Tvrdí to článok, ktorý v časopise Science zverejnil výskumný tím vedený Petrom Abbamontom.
Pripomeňme si to v skratke. Pohyb elektrónov v polovodiči je vhodné opísať pomocou konceptu diery - miesta, kde elektrón chýba. Diera samozrejme nie je častica ako elektrón alebo protón. Napriek tomu sa v mnohom chová ako častica. Môžete napríklad opísať jeho pohyb a zvážiť, že nesie kladný elektrický náboj. Preto sa objekty ako diera fyzici nazývajú kvázičastice.
V kvantovej mechanike existujú aj ďalšie kvázičastice. Napríklad Cooperov pár: duet elektrónov pohybujúcich sa ako celok. Existuje aj exciton kvázičastica, čo je dvojica elektrónov a diera.
Excitóny sa teoreticky predpovedali v 30. rokoch. Oveľa neskôr boli objavené experimentálne. Nikdy predtým však nebol pozorovaný stav hmoty známy ako excitón.
Poďme si vysvetliť, o čom hovoríme. Skutočné častice aj kvázičastice sú rozdelené do dvoch veľkých tried: fermióny a bozóny. Medzi prvé patria napríklad protóny, elektróny a neutróny, druhé - fotóny.
Fermióny sa riadia fyzikálnym zákonom známym ako Pauliho princíp vylúčenia: dva fermióny v rovnakom kvantovom systéme (napríklad dva elektróny v atóme) nemôžu byť v rovnakom stave. Mimochodom, práve vďaka tomuto zákonu elektróny v atóme obsadzujú rôzne orbitaly a nie sú zhromaždené celým davom na „najpohodlnejšej“nižšej energetickej úrovni. Takže práve kvôli Pauliho princípu sú chemické vlastnosti prvkov periodickej tabuľky také, aké ich poznáme.
Pauliho zákaz sa nevzťahuje na bozóny. Preto, ak je možné vytvoriť jediný kvantový systém z mnohých bozónov (spravidla si to vyžaduje extrémne nízku teplotu), potom sa celá spoločnosť šťastne hromadí v stave s najnižšou energiou.
Takýto systém sa niekedy nazýva Boseov kondenzát. Jeho zvláštnym prípadom je slávny Bose-Einsteinov kondenzát, kde celé atómy pôsobia ako bozóny (písali sme aj o tomto pozoruhodnom jave). Za jeho experimentálny objav bola v roku 2001 udelená Nobelova cena za fyziku.
Propagačné video:
Vyššie uvedený kvázičastica dvoch elektrónov (Cooperov pár) nie je fermión, ale bozón. Masívne vytváranie takýchto párov vedie k tak pozoruhodnému javu, ako je supravodivosť. Zjednotenie fermiónov na kvázičasticový bozón vďačí za svoj vzhľad superfluidite v héliu-3.
Fyzici dlho snívali o získaní takého Boseho kondenzátu v trojrozmernom kryštáli (a nie v tenkom filme), keď sa elektróny masívne kombinujú s otvormi a vytvárajú excitóny. Nakoniec, excitóny sú tiež bozóny. Je to tento stav hmoty, ktorý sa nazýva vzrušenie.
Pre vedcov je to nesmierne zaujímavé, ako každý stav, v ktorom makroskopické objemy hmoty vykazujú exotické vlastnosti, ktoré sa dajú vysvetliť iba pomocou kvantovej mechaniky. Tento stav však zatiaľ nebolo možné experimentálne získať. Skôr nebolo možné dokázať, že bol prijatý.
Faktom je, že pokiaľ ide o tie parametre, ktoré je možné skúmať pomocou existujúcich techník (napríklad štruktúra superlattice), sú excitonie nerozoznateľné od iného stavu hmoty, známeho ako Peierlsova fáza. Vedci preto nemohli s istotou povedať, ktorú z dvoch podmienok sa im podarilo získať.
Tento problém vyriešila skupina Abbamonte. Vedci zdokonalili experimentálnu techniku známu ako spektroskopia straty elektrónovej energie (EELS).
V priebehu tohto druhu výskumu fyzici bombardujú hmotu elektrónmi, ktorých energia leží v predtým známom úzkom rozmedzí. Po interakcii so vzorkou elektrón stratí časť svojej energie. Fyzici merajú, koľko energie stratili určité elektróny, a vyvodzujú závery o študovanej látke.
Autori mohli k tejto technike pridať ďalšie informácie. Našli spôsob, ako merať nielen zmenu energie elektrónu, ale aj zmenu jeho hybnosti. Pomenovali novú metódu M-EELS (anglické slovo pre hybnosť znamená „impulz“).
Vedci sa rozhodli otestovať svoju inováciu na kryštáloch dichlórgenidu titaničitého (1T-TiSe2). Na ich prekvapenie pri teplotách blízkych mínus 83 stupňom Celzia zistili jasné príznaky stavu predchádzajúceho vzniku excitónia - takzvanej fázy mäkkých plazmónov. Výsledky sa reprodukovali na piatich rôznych kryštáloch.
"Tento výsledok má kozmický význam," uviedol Abbamonte v tlačovej správe. „Odkedy pojem„ vzrušenie “vytvoril v 60. rokoch teoretický fyzik Harvarda Bert Halperin, fyzici sa pokúsili preukázať jeho existenciu. Teoretici diskutovali o tom, či to bude izolátor, ideálny vodič alebo supratekutina - a to s niekoľkými presvedčivými argumentmi zo všetkých strán. Od sedemdesiatych rokov minulého storočia mnoho experimentátorov zverejnilo dôkazy o existencii vzrušenia, ale ich výsledky neboli presvedčivým dôkazom a možno ich rovnako pripísať tradičným štrukturálnym fázovým prechodom.
Je príliš skoro hovoriť o aplikáciách excitónia v technológii, ale metóda vyvinutá vedcami umožní skúmanie ďalších látok na hľadanie tohto exotického stavu a štúdium jeho vlastností. V budúcnosti to môže viesť k významným technickým prelomom. Stačí napríklad pripomenúť, že to bol objav supravodivosti, ktorý inžinierom umožnil vytvárať super silné magnety. A dali svetu Veľký hadrónový urýchľovač aj guľkové vlaky. A kvantové efekty sa tiež používajú na vytvorenie kvantových počítačov. Dokonca aj tie najbežnejšie počítače by boli nemožné, keby kvantová mechanika nevysvetlila správanie elektrónov v polovodiči. Takže zásadný objav, ktorý urobil Abbamontov tím, by mohol priniesť najneočakávanejšie technologické výsledky.
Anatolij Glyantsev