Учёные впервые экспериментально получили новую экзотическую форму материи, которая была предсказана почти 50 лет назад и называется экситонием. Она возникает при бозе-конденсации квазичастиц, известных как экситоны.
Экситоний был получен в кристаллах дихалькогенида переходного металла — диселенида титана TiSe₂. Подобные вещества широко используются в экспериментах в современной физике. Более того, учёным удалось воспроизвести результаты в пяти различных образцах этого кристалла.
Экситоний представляет собой состояние вещества, в котором происходит бозе-конденсация экситонов — квазичастиц, являющихся квантами возбуждения электрон-дырочных пар в полупроводниках. Как и любая другая бозе-конденсация, это состояние наблюдается только при достаточно низких температурах — когда все экситоны имеют наименьшую возможную энергию.
Поскольку, по сути, экситон состоит из двух частиц со спином ½ — электрона и «дырки», то его спин равен 1, и следовательно, он является бозоном. Только для таких частиц и возможна бозе-конденсация. Для экситонов она была предсказана в 1960-х годах. Сам термин «экситоний» был придуман известным физиком Бертрандом Гальпериным.
До сих пор, однако, доказать экспериментальное получение экситония не удавалось из-за его схожести с другим состоянием — фазой Пайерлса, которая никакого отношения к экситонам не имеет, однако внешне проявляется практически идентично экситонию.
Авторам работы, опубликованной в Science, удалось преодолеть эту техническую сложность с помощью нового метода — импульсно-разрешающей спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (M-EELS). Он оказался более чувствительным в данном случае по сравнению с рентгеновской или нейтронной дифракцией.
Переход к состоянию экситония начинался при температуре около 190 К (–83 °C), при которой образовывалась так называемая мягко-плазмонная фаза — однозначный признак наступающей конденсации экситонов. Собственно, обнаружение этой фазы стало доказательством перехода именно к экситонию.
Экистоний пока не имеет непосредственного практического применения, однако его обнаружение — важное фундаментальное достижение. Изучение экситония, в частности, может пролить свет на то, как устроены переходы металл — диэлектрик в некоторых материалах, в которых конденсация экситонов может оказывать влияние на такие переходы.
Читайте также
Предложен идеальный мета-атом для хранения света
Бесконечная фазовая скорость света для оптических компьютеров
Получена новая квантовая частица: наполовину свет, наполовину вещество
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!