Odkrycie nowej formy materii – excitonium – budzi entuzjazm wśród naukowców

Odkrycie nowej formy materii – excitonium – budzi entuzjazm wśród naukowców

Profesor fizyki Peter Abbamonte i jego studenci, z udziałem kolegów z Illinois, University of California, Berkeley i University of Amsterdam, udowodnili istnienie enigmatycznej nowej formy materii, która wprawia naukowców w zakłopotanie odkąd została po raz pierwszy teoretycznie opisana, czyli od 50 lat.

Zespół zbadał nie-domieszkowane kryształy dichalkogenowego tytanku (1T-TiSe2) i otrzymał zaskakujące wyniki. Profesor van Wezel z Amsterdamu zapewnił ich kluczową teoretyczną interpretację. Czym zatem jest excitonium?

To kondensat - wykazuje makroskopowe zjawiska kwantowe, takie jak nadprzewodniki lub nadciekły lub izolujący kryształ elektroniczny. Składa się on z ekscytonów, cząsteczek, które powstają w bardzo dziwnym sprzęcie kwantowo-mechanicznym, mianowicie dzięki ucieczce elektronu i dziurze, którą zostawił.

Jest to sprzeczne z rozumem, ale okazuje się, że kiedy elektron w półprzewodniku zostaje wzbudzony i przeskakuje przez lukę energetyczną do pustego pasma przewodnictwa, pozostawia po sobie lukę w paśmie walencyjnym. Dziura ta zachowuje się tak, jakby była cząstką o ładunku dodatnim i przyciąga zbiegły elektron. Kiedy połączy się on z otworem, tworzy się niezwykle złożoną cząsteczka, bozon - ekscyton.

Dlaczego odkrycie ekscytonium w realnych warunków zajęło pół wieku? Do tej pory naukowcy nie mieli narzędzi eksperymentalnych, które pozwalałyby pozytywnie odróżnić, czy to, co wyglądało na ekscytonium, w rzeczywistości nie było fazą Peierlsa. Chociaż jest to całkowicie niezwiązane z tworzeniem ekscytonu, fazy Peierlsa i kondensacja ekscytonu mają tę samą symetrię i podobne obserwowalne zjawiska - supersieć i otwarcie jednej cząstkowej przerwy energetycznej.

Abbamonte i jego zespół byli w stanie przezwyciężyć to wyzwanie, wykorzystując nowatorską technikę, którą opracowali, zwaną metodą spektroskopii strat energii elektronowej (M-EELS). M-EELS jest bardziej wrażliwy na wzbudzenia pasm walencyjnych niż nieelastyczne techniki rentgenowskie lub rozpraszanie neutronów. "Ten wynik ma kosmiczne znaczenie"- stwierdza Abbamonte. "Odkąd termin "ekscytonium" powstał w latach sześćdziesiątych dzięki fizykowi z Harvardu, Bertowi Halperinowi, fizycy próbowali zademonstrować jego istnienie: teoretycy debatowali nad tym, czy będzie to izolator, doskonały przewodnik czy nadciekły. Od lat siedemdziesiątych wielu eksperymentatorów opublikowało dowody na istnienie ekscytonu, ale ich odkrycia nie były przekonujące i można je było wytłumaczyć konwencjonalną przemianą strukturalną faz."

"Emocje generowane przez to odkrycie towarzyszyły nam przez cały czas trwania projektu," wyznaje pracownica laboratorium Abbamonte. "Praca, którą wykonaliśmy na TiSe2, pozwoliła mi dostrzec wyjątkowy potencjał, jaki posiada technika M-EELS dla pogłębiania naszej wiedzy na temat fizycznych właściwości materiałów i motywowała mnie do dalszych badań."

Ustalenia zespołu opublikowano w wydaniu czasopisma "Science". Te podstawowe badania są bardzo obiecujące, jeśli chodzi o odkrywanie dalszych zagadek mechaniki kwantowej. Poza tym możliwe zastosowania technologiczne ekscytonu są na razie czysto spekulacyjne.

(KB)