Физики взволнованы открытием новой формы вещества - экситония

Профессор физики Питер Аббамонте (Peter Abbamonte) и аспиранты Аншул Когар (Anshul Kogar) и Минди Рак (Mindy Rak) при участии коллег из Иллинойса, Калифорнийского университета, Беркли и Амстердамского университета доказали существование загадочной новой формы материи, которая смутила ученых, поскольку она была впервые предсказана почти 50 лет назад.

Команда изучила нелегированные кристаллы часто анализируемого диселенида дихалкогенида титана (1T-TiSe₂) и воспроизвела неожиданные результаты пять раз на разных сколотых кристаллах. Профессор физики Яспер ван Вецель (Jasper van Wezel) из Амстердамского университета предоставил критически важную теоретическую интерпретацию экспериментальных результатов.

Экситоний представляет собой конденсат – он проявляет макроскопические квантовые явления подобно сверхпроводнику, сверхтекучей среде или изолирующему электронному кристаллу. Он состоит из экситонов, квазичастиц, которые образуются в очень странном квантовомеханическом объединении, а именно, освобожденного электрона и оставшейся после него дырки.

Это бросает вызов разуму, но оказывается, что когда электрон, локализованный на краю валентной зоны с заполненными электронами в полупроводнике, возбуждается и перескакивает через энергетическую щель в зону проводимости, он оставляет за собой "дырку" в валентной зоне. Эта дырка ведет себя так, как если бы это была частица с положительным зарядом, и она притягивает освобожденный электрон. Когда электрон из зоны проводимости с его отрицательным зарядом соединяется с дыркой, они образуют составную частицу, бозон, называемый экситоном. Фактически, частицеподобные атрибуты дырки относятся к коллективному поведению окружающих электронов. Но это понимание делает пару не менее странной.

До сих пор у ученых не было экспериментальных приборов, чтобы определенно отличить, действительно ли то, что выглядело, как экситоний, не было фазой Пайерлса. Хотя она полностью не связана с образованием экситонов, фазы Пайерлса и экситонная конденсация имеют одинаковую симметрию и аналогичные наблюдаемые - сверхрешетку и открытие одночастичной энергетической щели.

Проф. Аббамонте и его команда смогли преодолеть этот вызов, используя новую технику, которую они разработали, – спектроскопию характеристических потерь энергии электронами с разрешенным импульсом (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy, M-EELS). M-EELS более чувствительна к возбуждениям валентной зоны, чем методы неупругого рентгеновского или нейтронного рассеяния. Когар скомбинировал спектрометр EEL, который сам по себе мог измерять только траекторию электрона, давая энергию и импульс, которые он потерял, с гониометром, который позволяет команде точно измерять импульс электрона в реальном пространстве.

Благодаря своей новой методике группа впервые смогла измерить коллективные возбуждения низкоэнергетических бозонных частиц, парных электронов и дырок, независимо от их импульса. Более конкретно, команда достигла впервые наблюдаемой в каком-либо материале предшественника экситонной конденсации мягкой плазмонной фазы, которая возникла, когда материал приблизился к его критической температуре 190 Кельвина. Эта мягкая плазмонная фаза является «дымящимся пистолетом», свидетельствующим о конденсации экситонов в трехмерном твердом теле и первом в истории окончательном доказательстве открытия экситония.

«Этот результат имеет космическое значение, – утверждает проф. Аббамонте. - С тех пор, как термин "экситоний" был изобретен в 1960-х годах физиком-теоретиком Бертом Гальпериным (Bert Halperin) из Гарварда, физики пытались продемонстрировать его существование. Теоретики обсудили, будет ли он изолятором, идеальным проводником или сверхтекучим, – с некоторыми убедительными аргументами со всех сторон. С 1970-х годов многие экспериментаторы опубликовали доказательства существования экситония, но их результаты не были окончательным доказательством и в равной степени объяснялись традиционным структурным фазовым переходом».

Когар признает, что обнаружение экситония не было оригинальной мотивацией для исследования – команда намеревалась проверить свой новый метод M-EELS на кристалле, который был легко доступен, – он выращивался в Иллинойсе бывшим аспирантом Юном Ил Джо (Young Il Joe), ныне в NIST. Но он подчеркивает, что не случайно экситоний был главным интересом.

«Это открытие было впечатляющим, но Питер и я разговаривали 5 или 6 лет назад, рассматривая именно эту тему мягкого электронного режима, хотя в другом контексте - кристаллической нестабильности Вигнера. Поэтому, хотя мы не сразу разобрались, почему это происходило в TiSe₂, мы знали, что это был важный результат – тот, который зарождался в наших умах в течение нескольких лет».

Это фундаментальное исследование имеет большие перспективы для раскрытия дальнейших квантовомеханических тайн: ведь изучение макроскопических квантовых явлений – это то, что сформировало наше понимание квантовой механики. Оно также могло бы пролить свет на переход металл-диэлектрик в зонах твердых тел, в котором, как полагают, участвует экситонная конденсация. Однако пока возможные технологические применения экситония являются чисто умозрительными.

Художественное представление экситонов в твердом теле. Эти возбуждения можно рассматривать как распространяющиеся доменные стенки (желтые) в противоположность от упорядоченного твердого фона экситонов (синий).