Ексайтоніум (excitonium) неабияк вразив (excited) фізиків з Іллінойського університету в Урбана-Шампейн. Професор Пітер Аббамонте й аспіранти Еншул Коґар та Мінді Рак за участі колег з Іллінойсу, Каліфорнійського університету в Берклі та Амстердамського університету довели існування загадкової форми матерії, яка називається ексайтоніумом. Її існування не давало вченим спокою з часу теоретичного передбачення п’ятдесят років тому.
Команда Аббамонте досліджувала нелеговані кристали перехідного металу дихалькогеніду диселеніду титану (1T-TiSe2). Їм вдалося п’ять разів експериментально відтворити дивовижні результати на кристалах з різною спайністю. Основну теоретичну інтерпретацію отриманих даних зробив професор фізики Амстердамського університету Яспер ван Везель. Отже, що ж таке ексайтоніум.
Ексайтоніум — це конденсат, який виявляє макроспопічні квантові властивості, наче надпровідник, надплинна рідина чи ізолюючий електронний кристал. Він утворений з ексайтонів — частинок, утворених з дуже дивних квантово-механічних пар, а саме вільного електрона та “дірки”, яку він залишив по собі.
Це пояснення здається нелогічним — утім коли електрон, який перебуває скраю насиченої електронами валентної смуги в надпровіднику, переходить у збуджений стан та перестрибує через енергетичну заборонену зону в пусту зону провідності, він залишає по собі “дірку” у валентній смузі. Ця “дірка” поводиться наче частинка з позитивним зарядом і притягує до себе електрон, який покинув смугу. Разом із позитивно зарядженою діркою цей електрон утворює композитну частинку (бозон), що називається ексайтоном. Власне квазічастинкові властивості дірки зумовлюють появу колективної поведінки навколишньої хмари електронів. Чому знадобилось аж 50 років, щоб відкрити ексайтоніум?
Досі у вчених не було способу, як експериментально відрізнити ексайтоніум від так званого переходу Паєрлса. Перехід Паєрлса зовсім не пов’язаний з ексайтоніумом, але має ту ж симетрію й однакові спостережувані характеристики, зокрема суперґратку та утворення забороненої зони з одним електроном.
Команда Аббамонте змогла подолати цей виклик за допомогою нової техніки під назвою спектроскопії енергетичної втрати електрона з імпульсним аналізом (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy, M-EELS). M-EELS чутливіша до збуджень у валентній смузі, ніж нееластичні техніки рентгенівського чи нейтронного розсіювання. Коґар удосконалив ЕЕL-спектрометр, який сам по собі може вимірювати лише траєкторії електронів, визначаючи, скільки енергії та імпульсу вони втрачають. Він поєднав його з гоніометром, який дозволяє точно визначати імпульс електрона у реальному просторі.
Ця техніка дозволила групі уперше досить точно виміряти колективні збудження низькоенергетичних бозонних частинок — спарені електрони та “дірки” — незалежно від їхнього імпульсу. Команді, власне, вдалося вперше спостерегти попередника конденсації ексайтона у будь-якому матеріалі — м’якої плазмонної фази, яка утворилась, коли матеріал досягнув критичної температури 190 К. М’яка плазмонна фаза прямо підтверджує існування ексайтонової конденсації у трьохвимірному твердому тілі та чітко свідчить про відкриття нової форми матерії.
“Це відкриття неймовірної значущості. — каже Аббамонте. — З того часу, коли фізик-теоретик з Гарварду Берт Галперін уперше ввів поняття “ексайтоніум” у 1960-ті, фізики намагалися довести його існування. Теоретики дискутували про те, чи це ізолятор, ідеальний провідник чи надтекуча рідина (переконливі аргументи наводила кожна сторона). Статті, у яких йшлося про існування ексайтоніуму, почали з’являтися ще у 1970-ті, але ніколи раніше не було чітких доказів його існування, адже спостережувані ефекти однаково можна було пояснити звичайним структурним фазовим переходом”.
Стаття з описом дослідження опублікована в грудневому випуску журналу Science під заголовком “Ознаки ексайтонної конденсації у перехідному металі дихалькогеніді”.
Це фундаментальне дослідження має величезний потенціал з огляду на відкриття наступних квантово-механічних феноменів. Воно також може пролити світло на перехід “метал-діелектрик” у зонній теорії, у якому, вважають, ексайтонна конденсація відіграє провідну роль. Можливі технологічні застосування ексайтоніуму залишаються суто спекулятивними.
Physicists excited by discovery of new form of matter, excitonium
ScienceDaily, 08/12/2017
Зреферував Євген Ланюк
11.12.2017