Главная / Наука и технологии / Физики впервые получили состояние вещества, предсказанное почти 50 лет назад

Физики впервые получили состояние вещества, предсказанное почти 50 лет назад

Физики впeрвыe пoлучили сoстoяниe вeщeствa, прeдскaзaннoe пoчти 50 лeт нaзaд

Неуловимый экситоний, существование которого не удавалось экспериментально обосновать почти полста лет, наконец показал себя исследователям. Об этом докладывается в статье, которую научная группа во главе с Питером Аббамонте (Peter Abbamonte) опубликовала в журнальчике Science.

Ранее описывалось что такое квазичастицы вообщем и так именуемые дырки в частности.

Напомним об этом в 2-ух словах. Движение электронов в полупроводнике комфортно описывать, используя понятие дырки – пространства, в котором не хватает электрона. Дырка, очевидно, не является частичкой, такой как электрон либо протон. Тем не мение она во многих отношениях ведёт себя подобно частичке. Например, разрешено описать её движение и посчитать, что она несёт положительный электро заряд. Потому такие объекты, как дырка, физики именуют квазичастицами.

Конечно есть в квантовой механике и остальные квазичастицы. К примеру, куперовская пара: дуэт электронов, передвигающийся как единое целое. Конечно есть и квазичастица экситон, представляющая собою пару из электрона и дырки.

Экситоны были на теоретическом уровне предсказаны в 1930-х годах. Многовато позже они были обнаружены экспериментально. Но никогда конечно еще не наблюдалось состояние вещества, известное как экситоний.

Поясним, о чём идёт речь. Как истинные частицы, так и квазичастицы делятся на два наибольших класса: фермионы и бозоны. К первым относятся, к примеру, протоны, электроны и нейтроны, ко вторым – фотоны.

Фермионы подчиняются физическому указу, известному как принцип запрета Паули: два фермиона в одной квантовой системе (к примеру, два электрона в атоме) не смогут находиться в одном и том же состоянии. К слову, конкретно благодаря этому указу электроны в атоме занимают различные орбитали, а не собираются всей массой на самом «комфортном» нижнем энергетическом уровне. Так что конкретно из-за принципа Паули хим. свойства частей таблицы Менделеева являются такими, какими мы их знаем.

На бозоны запрет Паули не распространяется. Потому, если удаётся сделать единую квантовую систему из многих бозонов (как правило, для этого нужна чрезвычайно низкая температура), то они всей компанией отрадно скапливаются в состоянии с меньшей энергией.

Такая ОС иногда именуется конденсатом Бозе. Её личным случаем является известный конденсат Бозе-Эйнштейна, где в роли бозонов выступают целые атомы (мы писали и об этом восхитительном явлении). За его экспериментальное открытие была вручена Нобелевская премия по физике 2001 года.

Конечно уже упоминавшаяся выше квазичастица из 2-ух электронов (куперовская пара) – не фермион, а бозон. Общее образование таких пар приводит к такому восхитительному явлению, как сверхпроводимость. Объединению фермионов в квазичастицу-бозон должна своим возникновением и сверхтекучесть в гелии-3 .

Физики очень давно мечтали получить в трёхмерном кристалле (а не в тоненькой плёнке) таковой конденсат Бозе, когда электроны массово соединяются воединожды с дырками в экситоны. Фактически экситоны – это тоже бозоны. Конкретно такое состояние вещества и именуется экситонием.

Оно очень интересно учёным, как и хоть какое состояние, в котором макроскопические объёмы материи показывают экзотические характеристики, которые разрешено объяснить только лишь с помощью квантовой механики. Но получить это состояние экспериментально до сих пор не удавалось. Точнее, не удавалось обосновать, что оно получено.

Дело в том, что по тем характеристикам, которые поддавались исследованию с помощью имеющихся методик (к примеру, строению сверхрешётки) , экситоний неотличим от другого состояния вещества, известного как фаза Пайерлса (Peierls phase). Потому учёные не могли сказать с уверенностью, какое из 2-ух состояний им посчастливилось получить.

Эту делему и решила группа Аббамонте. Исследователи усовершенствовали экспериментальную технику, известную как спектроскопия характеристических утрат энергии электронами (по-английски electron energy-loss spectroscopy либо EELS).

В ходе такового рода исследования физики бомбардируют вещество электронами, энергия коих лежит в заблаговременно известном узеньком диапазоне. После взаимодействия с прототипом электрон теряет часть энергии. Измерив, сколько энергии утратили определённые электроны, физики и делают выводы об исследуемом веществе.

Авторы смогли добавить данной технике информативности. Они отыскали способ определять не только лишь изменение энергии электрона, но и изменение его импульса. Новейший метод они окрестили M-EELS (английское слово momentum переводится как «импульс»).

Своё новаторство учёные решили опробовать на кристаллах дихлоргидрата дихалкогенида титана (1T-TiSe2). К собственному удивлению, при температуре, ближайшей к минус 83 градусам Цельсия, они нашли явные признаки состояния, предыдущего образованию экситония – так именуемой фазы мягеньких плазмонов. Результаты были воспроизведены на 5-ти разных кристаллах.

«Данный результат имеет галлактическое значение, – приводит пресс-выход слова Аббамонте. – С тех пор как термин «экситоний» был введён в 1960-х годах физиком-теоретиком из Гарварда Бертом Хальперином (Bert Halperin), физики пробовали продемонстрировать его существование. Теоретики обсуждали, станет ли он изолятором, безупречным проводником либо сверхтекучим субстанцией – с некоторыми убедительными доводами со всех сторон. С 1970-х годов многие экспериментаторы выпустили доказательства существования экситония, но их результаты не были окончательным подтверждением и в равной степени объяснялись обычным структурным фазовым переходом».

О применениях экситония в технике пока гласить рано, но разработанный учёными способ позволит изучить и другие вещества для поиска этого экзотичного состояния и исследования его параметров. В дальнейшем это может привести к весомым техническим прорывам. Довольно вспомнить, к примеру, что конкретно открытие сверхпроводимости отдало инженерам вероятность создать сверхсильные магниты. А они подарили миру и Немаленькой адронный коллайдер, и сверхскоростные поезда. А конечно еще квантовые эффекты употребляются для сотворения квантовых компов. Да и самые обыденные компьютеры были бы невозможны, если бы квантовая механика не растолковала поведение электронов в полупроводнике. Так что изготовленное командой Аббамонте базовое открытие может принести самые внезапные технологические плоды.

✍ Понравилась статья - лайкни и оцени поставив звездочку ниже:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...
Регистрируясь либо нажимая кнопку «Комментировать», я принимаю пользовательское соглашение (Политику конфиденциальности) этого сайта и подтверждаю, что ознакомлен и согласен с политикой конфиденциальности.

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан