Felfedezték az anyag egy új lehetséges formáját: az excitoniumot

Illinois Egyetem által vezetett a Kalifornia és az Amszterdam Egyetemek kutatóival kiegészített nemzetközi csapatnak sikerült bebizonyítaniuk a rejtélyes excitonium létezését – ami az anyag egy új formája és már azóta foglalkoztatja a tudósokat hogy közel 50 évvel ezelőtt először tételezték fel a létezésüket.

A csapat a dikalcogén-titán-diszelenid (1T-TiSe2) átmeneti fém nem adalékolt kristályait vizsgálták és a meglepő felfedezésüket öt további különböző kristályon is igazolták.

Az excitonium egy kondenzátum – makroszkopikus kvantum jelenségeket fejt ki, mint amilyen a szupravezetőség vagy a szuperfolyékonyság. A kondenzátumot excitonok alkotják, amik egy furcsa kvantum mechanikai módszerrel alkotnak párokat – a megszökő elektron és az általa hagyott elektron-lyuk között.

A józan észnek ellentmondva, mikor egy félvezető elektronokkal tömött vegyérték (valencia) sáv szélén lévő elektron ‘izgatottá’ válik, akkor képes átugrani az egyébként üres vezető sávot és ezzel egy “lyukat” hagyva hátra a vegyérték sávon. Ez a lyuk úgy viselkedik mint egy pozitív töltéssel rendelkező részecske és ezzel magához köti a megszökő elektront. Ez a rendkívül furcsa pár, egy összetett részecskét – egy excition nevű bozont – alkot.

A tudomány jelenlegi állása szerint a lyuk részecske szerű tulajdonságaiért a körülötte lévő elektronok a felelősek.

Azonban eddig a tudomány számára nem voltak elérhetőek olyan kísérleti módszerek, amivel a excitonium megkülönböztethető a Peierls torzulástól – ami annak ellenére, hogy semmi kapcsolatban nem áll az excitonokkal, mégis ugyanolyan megfigyelhető tulajdonságokkal rendelkezik.

A kutatóknak ezt a kihívást egy csúcsmodern technika a M-EELS (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy) segítségével sikerült megoldaniuk, mivel ez a módszer a korábbiaknál sokkal érzékenyebb a vegyérték sávok vizsgálatában. A kutatók egy már meglévő EEL spektrométert – ami már önmagában képes mérni az elektronok pályáját – egészítettek ki egy goniméterrel – ami lehetővé tette az elektronok lendületének pontos meghatározását.

Az új technika segítségével a kutató csapatnak eddig először sikerült együtt megmérniük az elektron és az elektron lyuk által alkotott alacsony energiájú pár együttes izgatottságát, azoknak a lendületétől függetlenül. Egy plazmon fázist vizsgáltak, ami akkor alakul ki, amikor az agyag megközelíti a 190 Kelvines kritikus hőmérsékletet. Ezzel az anyaggal a kutatóknak sikerült bebizonyítaniuk az exctionok létezését egy három dimenziós szilárd anyagban és ezért ez az első perdöntő bizonyítéka az excitonium létezésének.

“Ez egy kozmikus jelentőségű eredmény,” mondta Peter Abbamonte, az Illinois Egyetem fizika professzora. “Azóta, hogy Bert Halperin, a Harvard elméleti fizikusa a hatvanas években megalkotta az ‘excitonium’ kifejezés, a fizikusok igyekeztek demonstrálni a létezését. Az elméleti szakemberek azon vitatkoztak, hogy vajon szigetelő, tökéletes vezető vagy szuperfolyadék e az anyag – és minden oldalon voltak meggyőző érvek. A hetvenes évek óta több experimentalista jelentettet meg bizonyítékokat az excitonium létezésére, azonban az eredményeik nem voltak végleges bizonyítékok és a hagyományos fázis átmenettel is ugyanolyan jól lehetett volna őket magyarázni.”

“Emlékszem hogy Anshul [Anshul Kogar, az egyik kutató] nagyon izgatott volt a TiSe2 első mérési eredményei miatt,” mondta Mindy Rak, az Illinois Egyetem kutatója. “Éppen a laborban lévő tábla mellett álltunk, ahogy azt magyarázta hogy mi egy olyan valamit mértünk meg amit eddig soha senki: egy puha plazmont.”

“Ez a felfedezés által keltett izgatottság az egész projekt során elkísért minket. A TiSe2-en végzett munkánk segített, hogy meglássam az egyedi lehetőséget, amit a M-EELS technika rejt magában, az anyagok fizikai tulajdonságainak jobb megértésében és motiválta a későbbi kutatásunkat a TiSe2-en.”

A kutatók elismerik, hogy az excitonium felfedezése nem az eredeti célja volt a kutatásuknak – valójában csak az új M-EELS módszert akarták tesztelni -, azonban az eredmények hatására az excitonium lépett a kutatás célkeresztjébe.

A kutatás eredményeire nagy reményekkel tekintenek, hogy azok segítségével további kvantum mechanikai rejtélyek is megoldhatóvá válhatnak – főleg mivel a makroszkópikus kvantum jelenségek vizsgálata volt a legnagyobb hatással eddig a kvantum mechanikai ismereteinkre. Az ezen felüli lehetséges felhasználási módjai az excitoniumnak még csak elméleti síkon mozognak.

Forrás: science.sciencemag.org

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.