Nepolapitelné vzrušení, jehož existenci nebylo možné experimentálně dokázat téměř půl století, se nakonec ukázalo vědcům. Toto uvádí článek, který v časopise Science zveřejnil výzkumný tým vedený Peterem Abbamontem.
Připomeňme si to ve zkratce. Je vhodné popsat pohyb elektronů v polovodiči pomocí konceptu díry - místa, kde chybí elektron. Díra samozřejmě není částice, jako je elektron nebo proton. V mnoha ohledech se však chová jako částice. Můžete například popsat jeho pohyb a zvážit, že nese kladný elektrický náboj. Fyzici proto objekty jako díra nazývají kvazičástice.
V kvantové mechanice existují další kvazičástice. Například Cooperův pár: duet elektronů pohybujících se jako celek. Existuje také exciton kvazičástice, což je dvojice elektronů a otvorů.
Excitony byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech. Mnohem později byly objeveny experimentálně. Nikdy předtím však nebyl pozorován stav hmoty známý jako exciton.
Vysvětlíme, o čem mluvíme. Skutečné částice i kvazičástice jsou rozděleny do dvou velkých tříd: fermiony a bosony. Mezi první patří například protony, elektrony a neutrony, druhou - fotony.
Fermiony se řídí fyzikálním zákonem známým jako Pauliho vylučovací princip: dva fermiony ve stejném kvantovém systému (například dva elektrony v atomu) nemohou být ve stejném stavu. Mimochodem, je to díky tomuto zákonu, že elektrony v atomu zabírají různé orbitaly a nejsou shromažďovány celým davem na „nejvhodnější“nižší energetické úrovni. Právě díky Pauliho principu jsou tedy chemické vlastnosti prvků periodické tabulky takové, jaké je známe.
Pauliho zákaz se nevztahuje na bosony. Pokud je tedy možné vytvořit jednotný kvantový systém z mnoha bosonů (zpravidla to vyžaduje extrémně nízkou teplotu), pak se celá společnost šťastně hromadí ve stavu s nejnižší energií.
Takový systém se někdy nazývá Boseův kondenzát. Jeho zvláštním případem je slavný Bose-Einsteinův kondenzát, kde celé atomy fungují jako bosony (psali jsme také o tomto pozoruhodném jevu). Za jeho experimentální objev byla v roce 2001 udělena Nobelova cena za fyziku.
Propagační video:
Výše uvedený kvazičástice dvou elektronů (Cooperův pár) není fermion, ale boson. Masivní tvorba takových párů vede k tak pozoruhodnému jevu, jako je supravodivost. Sjednocení fermionů do kvazičástice-bosonu vděčí za svůj vzhled superfluiditě v heliu-3.
Fyzici dlouho snili o získání takového Boseova kondenzátu v trojrozměrném krystalu (a ne v tenkém filmu), když se elektrony masivně spojí s otvory a vytvoří excitony. Konec konců, excitony jsou také bosony. Právě tomuto stavu hmoty se říká vzrušení.
Je to pro vědce mimořádně zajímavé, jako každý stav, ve kterém makroskopické objemy hmoty vykazují exotické vlastnosti, které lze vysvětlit pouze pomocí kvantové mechaniky. Dosud však nebylo možné tento stav experimentálně získat. Spíše nebylo možné prokázat, že byl přijat.
Faktem je, že pokud jde o ty parametry, které lze zkoumat pomocí stávajících technik (například struktura superlattice), excitonie jsou nerozeznatelné od jiného stavu hmoty, známého jako Peierlsova fáze. Vědci proto nemohli s jistotou říci, kterou ze dvou podmínek se jim podařilo získat.
Tento problém vyřešila skupina Abbamonte. Vědci zdokonalili experimentální techniku známou jako elektronová energetická ztrátová spektroskopie (EELS).
V průběhu tohoto druhu výzkumu fyzici bombardují hmotu elektrony, jejichž energie leží v dříve známém úzkém rozsahu. Po interakci se vzorkem elektron ztratí část své energie. Měřením toho, kolik energie ztratily určité elektrony, fyzici vyvozují závěry o studované látce.
Autoři byli schopni k této technice přidat informace. Našli způsob, jak měřit nejen změnu energie elektronu, ale také změnu jeho hybnosti. Pojmenovali novou metodu M-EELS (anglické slovo pro hybnost znamená „impuls“).
Vědci se rozhodli otestovat své inovace na krystalech dichlorcogenidu titaničitého (1T-TiSe2). K jejich překvapení zjistili při teplotách blízkých mínus 83 stupňů Celsia jasné známky stavu předcházejícího vzniku excitonia - takzvané fázi měkkých plazmonů. Výsledky byly reprodukovány na pěti různých krystalech.
"Tento výsledek má kosmický význam," uvedl Abbamonte v tiskové zprávě. "Od té doby, co termín" excitony "vytvořil v 60. letech Harvardský teoretický fyzik Bert Halperin, se fyzici pokusili demonstrovat jeho existenci. Teoretici debatovali o tom, zda to bude izolátor, ideální vodič nebo supratekutina - s některými přesvědčivými argumenty ze všech stran. Od 70. let 20. století mnoho experimentátorů zveřejnilo důkazy o existenci vzrušení, ale jejich výsledky nebyly přesvědčivým důkazem a lze je stejně přičíst tradičnímu strukturnímu fázovému přechodu.
Je příliš brzy hovořit o aplikacích excitonia v technologii, ale metoda vyvinutá vědci umožní zkoumat jiné látky za účelem hledání tohoto exotického stavu a studia jeho vlastností. V budoucnu to může vést k významným technickým průlomům. Stačí si například připomenout, že to byl objev supravodivosti, který inženýrům umožnil vytvářet super silné magnety. A dali světu jak Velký hadronový urychlovač, tak kulkové vlaky. A kvantové efekty se také používají k vytváření kvantových počítačů. I ty nejběžnější počítače by byly nemožné, kdyby kvantová mechanika nevysvětlila chování elektronů v polovodiči. Zásadní objev provedený Abbamontovým týmem by tedy mohl přinést nejneočekávanější technologické výsledky.
Anatoly Glyantsev