Nenotveramais satraukums, kura esamība eksperimentāli nav pierādīta gandrīz pusgadsimtu, beidzot ir parādījusi sevi pētniekiem. Par to ziņots rakstā, ko pētniecības grupa, kuru vadīja Pēteris Abamonte, publicēja žurnālā Science.
Atgādināsim to īsumā. Elektronu kustību pusvadītājā ir ērti aprakstīt, izmantojot cauruma jēdzienu - vietu, kur trūkst elektrona. Atvere, protams, nav tāda daļiņa kā elektrons vai protons. Neskatoties uz to, tas daudzos veidos izturas kā daļiņa. Piemēram, jūs varat aprakstīt tā kustību un uzskatīt, ka tam ir pozitīvs elektriskais lādiņš. Tāpēc objektus, piemēram, caurumu, fiziķi sauc par kvazdaļiņām.
Kvantu mehānikā ir arī citas kvazdaļiņas. Piemēram, Kūpera pāris: elektronu duets, kas pārvietojas kopumā. Ir arī eksitona kvazdaļiņa, kas ir elektrona un cauruma pāris.
Teorētiski tika prognozēti eksitoni 1930. gados. Daudz vēlāk tie tika atklāti eksperimentāli. Tomēr nekad agrāk nav novērots matērijas stāvoklis, kas pazīstams kā eksitons.
Ļaujiet mums paskaidrot, par ko mēs runājam. Gan reālās daļiņas, gan kvazdaļiņas ir sadalītas divās lielās klasēs: fermionos un bozonos. Pirmie ietver, piemēram, protonus, elektronus un neitronus, otrie - fotonus.
Fermioni ievēro fizisko likumu, kas pazīstams kā Pauli izslēgšanas princips: divi fermioni vienā kvantu sistēmā (piemēram, divi elektroni atomā) nevar atrasties vienā stāvoklī. Starp citu, pateicoties šim likumam, elektroni atomā aizņem dažādas orbitāles, un viss pūlis tos nesavāc visērtākajā "ērtākajā" zemākajā enerģijas līmenī. Tātad tieši Pauli principa dēļ periodiskās tabulas elementu ķīmiskās īpašības ir tādas, kādas mēs viņus pazīstam.
Pauli aizliegums neattiecas uz bozoniem. Tāpēc, ja no daudziem bozoniem ir iespējams izveidot vienotu kvantu sistēmu (parasti tas prasa ārkārtīgi zemu temperatūru), tad viss uzņēmums ar prieku uzkrājas stāvoklī ar viszemāko enerģiju.
Šādu sistēmu dažreiz sauc par Bose kondensātu. Tās īpašais gadījums ir slavenais Bose-Einšteina kondensāts, kur veseli atomi darbojas kā bozoni (mēs arī rakstījām par šo ievērojamo parādību). Par eksperimentālo atklājumu tika piešķirta 2001. gada Nobela prēmija fizikā.
Reklāmas video:
Jau pieminētā divu elektronu kvazdaļiņa (Kūpera pāris) nav fermions, bet gan bozons. Šādu pāru masveida veidošanās noved pie tik ievērojamas parādības kā supravadītspēja. Fermionu apvienošanās kvazdaļiņu-bozonā savu izskatu ir parādā par pārplūstamību hēlijā-3.
Fiziķi jau sen ir sapņojuši par šāda Bose kondensāta iegūšanu trīsdimensiju kristālā (nevis plānā plēvē), kad elektroni masveidā apvienojas ar caurumiem, veidojot eksitonus. Galu galā eksitoni ir arī bozoni. Tieši šo matērijas stāvokli sauc par ierosmi.
Zinātniekiem tas ir ārkārtīgi interesanti, tāpat kā jebkurš stāvoklis, kurā vielas makroskopiskiem tilpumiem piemīt eksotiskas īpašības, kuras var izskaidrot, tikai izmantojot kvantu mehāniku. Tomēr līdz šim eksperimentāli iegūt šo stāvokli nav bijis iespējams. Drīzāk nebija iespējams pierādīt, ka tas tika saņemts.
Fakts ir tāds, ka attiecībā uz tiem parametriem, kurus var izmeklēt, izmantojot esošās metodes (piemēram, superrežģa struktūru), ierosmes nav atšķiramas no citas matērijas stāvokļa, kas pazīstams kā Peierls fāze. Tāpēc zinātnieki nevarēja droši pateikt, kuru no abiem nosacījumiem viņiem izdevās iegūt.
Šo problēmu atrisināja Abbamonte grupa. Pētnieki ir pilnveidojuši eksperimentālu paņēmienu, kas pazīstams kā elektronu enerģijas zuduma spektroskopija (EELS).
Šāda veida pētījumu laikā fiziķi matērijas bombardē ar elektroniem, kuru enerģija atrodas iepriekš zināmā šaurā diapazonā. Pēc mijiedarbības ar paraugu elektrons zaudē daļu enerģijas. Nosakot, cik daudz enerģijas ir zaudējuši daži elektroni, fiziķi izdara secinājumus par pētāmo vielu.
Autori varēja pievienot šai tehnikai informāciju. Viņi atrada veidu, kā izmērīt ne tikai elektrona enerģijas izmaiņas, bet arī tā impulsa izmaiņas. Viņi jauno metodi nosauca par M-EELS (angļu valodā vārds impulss nozīmē “impulss”).
Zinātnieki nolēma pārbaudīt savu jauninājumu titāna dihalkogenogendihlorhidrāta (1T-TiSe2) kristālos. Viņiem par pārsteigumu temperatūrā, kas tuvu mīnus 83 grādiem pēc Celsija, viņi atrada skaidras stāvokļa pazīmes pirms eksitonija veidošanās - tā sauktās mīksto plazmonu fāzes. Rezultāti tika reproducēti uz pieciem dažādiem kristāliem.
"Šim rezultātam ir kosmiska nozīme," paziņoja Abbamonte paziņojumā presei. - Tā kā terminu “uzbudinājums” pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados izdomāja Hārvardas teorētiskais fiziķis Berts Halperins, fiziķi mēģināja pierādīt tā esamību. Teorētiķi apsprieda, vai tas būtu izolators, ideāls vadītājs vai super šķidruma viela - ar dažiem pārliecinošiem argumentiem no visām pusēm. Kopš 20. gadsimta 70. gadiem daudzi eksperimentētāji ir publicējuši pierādījumus par eksitences esamību, taču viņu rezultāti nebija pārliecinoši un vienlīdz attiecināmi uz tradicionālo strukturālo fāžu pāreju.
Par eksitonija pielietojumu tehnoloģijā ir pāragri runāt, taču zinātnieku izstrādātā metode ļaus pētīt citas vielas, lai meklētu šo eksotisko stāvokli un izpētītu tā īpašības. Nākotnē tas var novest pie ievērojamiem tehniskiem sasniegumiem. Pietiks, piemēram, atgādināt, ka tieši supravadītspējas atklāšana ļāva inženieriem radīt īpaši spēcīgus magnētus. Un viņi pasaulei deva gan lielo hadronu sadursmes, gan ložu vilcienus. Kvantu efektus izmanto arī kvantu datoru radīšanai. Pat visizplatītākie datori būtu neiespējami, ja kvantu mehānika neizskaidrotu elektronu uzvedību pusvadītājā. Tātad būtiskais Abbamonte komandas atklājums varētu dot visnegaidītākos tehnoloģiskos rezultātus.
Anatolijs Gljancevs