Die schwer fassbare Erregung, deren Existenz fast ein halbes Jahrhundert lang nicht experimentell nachgewiesen werden konnte, zeigte sich schließlich den Forschern. Dies wird in einem Artikel berichtet, den ein Forschungsteam unter der Leitung von Peter Abbamonte in der Zeitschrift Science veröffentlicht hat.
Erinnern wir uns kurz und bündig daran. Es ist zweckmäßig, die Bewegung von Elektronen in einem Halbleiter anhand des Konzepts eines Lochs zu beschreiben - eines Ortes, an dem ein Elektron fehlt. Das Loch ist natürlich kein Teilchen wie ein Elektron oder ein Proton. Trotzdem verhält es sich in vielerlei Hinsicht wie ein Partikel. Zum Beispiel können Sie seine Bewegung beschreiben und davon ausgehen, dass er eine positive elektrische Ladung trägt. Daher werden Objekte wie ein Loch von Physikern als Quasiteilchen bezeichnet.
Es gibt andere Quasiteilchen in der Quantenmechanik. Zum Beispiel ein Cooper-Paar: ein Duett von Elektronen, die sich als Ganzes bewegen. Es gibt auch ein Exzitonen-Quasiteilchen, das ein Paar aus einem Elektron und einem Loch ist.
Exzitonen wurden theoretisch in den 1930er Jahren vorhergesagt. Viel später wurden sie experimentell entdeckt. Ein als Exzitation bekannter Materiezustand wurde jedoch nie beobachtet.
Lassen Sie uns erklären, wovon wir sprechen. Sowohl reale Teilchen als auch Quasiteilchen werden in zwei große Klassen unterteilt: Fermionen und Bosonen. Ersteres umfasst beispielsweise Protonen, Elektronen und Neutronen, letzteres Photonen.
Fermionen gehorchen einem physikalischen Gesetz, das als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt ist: Zwei Fermionen im selben Quantensystem (zum Beispiel zwei Elektronen in einem Atom) können sich nicht im selben Zustand befinden. Übrigens ist es diesem Gesetz zu verdanken, dass die Elektronen im Atom verschiedene Orbitale besetzen und nicht von der gesamten Menge auf dem "bequemsten" niedrigeren Energieniveau gesammelt werden. Gerade aufgrund des Pauli-Prinzips sind die chemischen Eigenschaften der Elemente des Periodensystems so, wie wir sie kennen.
Paulis Verbot gilt nicht für Bosonen. Wenn es daher möglich ist, aus vielen Bosonen ein einziges Quantensystem zu erstellen (dies erfordert in der Regel eine extrem niedrige Temperatur), sammelt sich das gesamte Unternehmen glücklich in dem Zustand mit der niedrigsten Energie an.
Ein solches System wird manchmal als Bose-Kondensat bezeichnet. Sein Sonderfall ist das berühmte Bose-Einstein-Kondensat, bei dem ganze Atome als Bosonen wirken (wir haben auch über dieses bemerkenswerte Phänomen geschrieben). Für seine experimentelle Entdeckung wurde 2001 der Nobelpreis für Physik verliehen.
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Das bereits erwähnte Quasiteilchen zweier Elektronen (Cooper-Paar) ist keine Fermion, sondern ein Boson. Die massive Bildung solcher Paare führt zu einem so bemerkenswerten Phänomen wie der Supraleitung. Die Vereinigung von Fermionen zu einem Quasiteilchen-Boson verdankt sein Auftreten der Superfluidität in Helium-3.
Physiker haben lange davon geträumt, ein solches Bose-Kondensat in einem dreidimensionalen Kristall (und nicht in einem dünnen Film) zu erhalten, wenn sich Elektronen massiv mit Löchern verbinden, um Exzitonen zu bilden. Exzitonen sind schließlich auch Bosonen. Es ist dieser Zustand der Materie, der als Erregung bezeichnet wird.
Es ist äußerst interessant für Wissenschaftler, wie jeder Zustand, in dem makroskopische Materievolumina exotische Eigenschaften aufweisen, die nur mit der Quantenmechanik erklärt werden können. Es war jedoch noch nicht möglich, diesen Zustand experimentell zu erhalten. Vielmehr konnte nicht nachgewiesen werden, dass es empfangen wurde.
Tatsache ist, dass Anregungen in Bezug auf die Parameter, die mit vorhandenen Techniken untersucht werden können (z. B. die Struktur eines Übergitters), nicht von einem anderen Materiezustand zu unterscheiden sind, der als Peierls-Phase bekannt ist. Daher konnten Wissenschaftler nicht mit Sicherheit sagen, welche der beiden Bedingungen sie erhalten konnten.
Dieses Problem wurde von der Abbamonte-Gruppe gelöst. Die Forscher haben eine experimentelle Technik perfektioniert, die als Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) bekannt ist.
Im Rahmen dieser Art von Forschung bombardieren Physiker Materie mit Elektronen, deren Energie in einem bisher bekannten engen Bereich liegt. Nach der Wechselwirkung mit der Probe verliert das Elektron einen Teil seiner Energie. Durch die Messung des Energieverlusts bestimmter Elektronen ziehen die Physiker Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz.
Die Autoren konnten dieser Technik Informationen hinzufügen. Sie fanden einen Weg, nicht nur die Änderung der Energie eines Elektrons zu messen, sondern auch die Änderung seines Impulses. Sie nannten die neue Methode M-EELS (das englische Wort für Impuls bedeutet „Impuls“).
Die Wissenschaftler beschlossen, ihre Innovation an Kristallen aus Titandichalkogeniddichlorhydrat (1T-TiSe2) zu testen. Zu ihrer Überraschung fanden sie bei Temperaturen nahe minus 83 Grad Celsius deutliche Anzeichen für einen Zustand vor der Bildung von Excitonium - der sogenannten Phase weicher Plasmonen. Die Ergebnisse wurden an fünf verschiedenen Kristallen reproduziert.
"Dieses Ergebnis hat kosmische Bedeutung", sagte Abbamonte in einer Pressemitteilung. - Seit der Begriff "Exzitonie" in den 1960er Jahren vom theoretischen Physiker aus Harvard, Bert Halperin, geprägt wurde, haben Physiker versucht, seine Existenz zu demonstrieren. Theoretiker diskutierten darüber, ob es sich um einen Isolator, einen idealen Leiter oder eine superfluide Substanz handeln würde - mit einigen überzeugenden Argumenten von allen Seiten. Seit den 1970er Jahren haben viele Experimentatoren Beweise für die Existenz von Exzitation veröffentlicht, aber ihre Ergebnisse sind keine schlüssigen Beweise und sind gleichermaßen auf traditionelle strukturelle Phasenübergänge zurückzuführen.
Es ist noch zu früh, um über die Anwendung von Excitonium in der Technologie zu sprechen, aber die von Wissenschaftlern entwickelte Methode wird es ermöglichen, andere Substanzen zu untersuchen, um nach diesem exotischen Zustand zu suchen und seine Eigenschaften zu untersuchen. Dies kann in Zukunft zu erheblichen technischen Durchbrüchen führen. Es genügt zum Beispiel, sich daran zu erinnern, dass es die Entdeckung der Supraleitung war, die es Ingenieuren ermöglichte, superstarke Magnete herzustellen. Und sie gaben der Welt sowohl den Large Hadron Collider als auch Hochgeschwindigkeitszüge. Quanteneffekte werden auch verwendet, um Quantencomputer zu erstellen. Selbst die gängigsten Computer wären unmöglich, wenn die Quantenmechanik das Verhalten von Elektronen in einem Halbleiter nicht erklären würde. Die grundlegende Entdeckung von Abbamontes Team könnte also die unerwartetsten technologischen Ergebnisse bringen.
Anatoly Glyantsev
