Kegembiraan yang sukar difahami, keberadaannya yang belum terbukti secara eksperimen selama hampir setengah abad, akhirnya menunjukkan dirinya kepada para penyelidik. Ini dilaporkan dalam sebuah artikel bahawa pasukan penyelidik yang diketuai oleh Peter Abbamonte diterbitkan dalam jurnal Science.
Mari kita ingat ini secara ringkas. Adalah lebih mudah untuk menggambarkan pergerakan elektron dalam semikonduktor menggunakan konsep lubang - tempat di mana elektron hilang. Lubang, tentu saja, bukan zarah seperti elektron atau proton. Walau bagaimanapun, ia bertindak seperti zarah dalam banyak cara. Contohnya, anda boleh menerangkan pergerakannya dan menganggap ia membawa muatan elektrik positif. Oleh itu, objek seperti lubang dipanggil quasiparticles oleh ahli fizik.
Terdapat quasipartikel lain dalam mekanik kuantum. Contohnya, pasangan Cooper: duet elektron bergerak secara keseluruhan. Terdapat juga partikel exciton, yang merupakan sepasang elektron dan lubang.
Exciton secara teori diramal pada tahun 1930-an. Tidak lama kemudian mereka ditemui secara eksperimen. Walau bagaimanapun, keadaan yang dikenali sebagai kegembiraan tidak pernah diperhatikan.
Mari kita jelaskan apa yang kita bicarakan. Kedua-dua zarah dan kuasipartikel terbahagi kepada dua kelas besar: fermion dan boson. Yang pertama termasuk, misalnya, proton, elektron dan neutron, yang terakhir - foton.
Fermion mematuhi undang-undang fizikal yang dikenali sebagai prinsip pengecualian Pauli: dua fermion dalam sistem kuantum yang sama (misalnya, dua elektron dalam atom) tidak boleh berada dalam keadaan yang sama. Ngomong-ngomong, berkat undang-undang ini, elektron dalam atom menempati orbital yang berlainan, dan tidak dikumpulkan oleh seluruh orang pada tahap tenaga yang paling rendah "senang". Oleh itu, kerana prinsip Pauli, sifat kimia unsur-unsur jadual berkala sama seperti yang kita ketahui.
Larangan Pauli tidak berlaku untuk boson. Oleh itu, jika mungkin untuk membuat sistem kuantum bersatu dari banyak boson (sebagai peraturan, ini memerlukan suhu yang sangat rendah), maka seluruh syarikat dengan senang hati terkumpul di negeri ini dengan tenaga terendah.
Sistem sedemikian kadangkala disebut kondensat Bose. Kes khasnya adalah kondensat Bose-Einstein yang terkenal, di mana seluruh atom bertindak sebagai boson (kami juga menulis mengenai fenomena yang luar biasa ini). Untuk penemuan eksperimentalnya, Hadiah Nobel dalam Fizik 2001 dianugerahkan.
Video promosi:
Kuasipartikel dua elektron yang disebutkan di atas (pasangan Cooper) bukanlah fermion, tetapi boson. Pembentukan pasangan sedemikian secara besar-besaran membawa kepada fenomena luar biasa seperti superkonduktiviti. Penyatuan fermion menjadi quasiparticle-boson bergantung kepada penampilannya pada superfluiditi pada helium-3.
Ahli fizik telah lama menginginkan memperoleh kondensat Bose seperti itu dalam kristal tiga dimensi (dan bukan dalam filem nipis), apabila elektron bergabung secara besar-besaran dengan lubang untuk membentuk exciton. Lagipun, exciton juga boson. Keadaan inilah yang disebut kegembiraan.
Sangat menarik bagi para saintis, seperti keadaan di mana jumlah jirim makroskopik menunjukkan sifat eksotik yang hanya dapat dijelaskan dengan menggunakan mekanik kuantum. Namun, belum dapat memperoleh keadaan ini secara eksperimen. Sebaliknya, tidak mungkin untuk membuktikan bahawa ia diterima.
Kenyataannya adalah bahawa dari segi parameter yang dapat disiasat dengan menggunakan teknik yang ada (misalnya, struktur superlattice), eksitasi tidak dapat dibezakan dari keadaan lain, yang dikenali sebagai fasa Peierls. Oleh itu, para saintis tidak dapat mengatakan dengan pasti mana dari dua syarat yang berjaya mereka perolehi.
Masalah ini diselesaikan oleh kumpulan Abbamonte. Para penyelidik telah menyempurnakan teknik eksperimen yang dikenali sebagai spektroskopi kehilangan tenaga elektron (EELS).
Dalam kajian seperti ini, ahli fizik membom bahan dengan elektron, yang mana tenaganya terletak pada jarak sempit yang diketahui sebelumnya. Setelah berinteraksi dengan sampel, elektron kehilangan sebahagian tenaganya. Dengan mengukur berapa banyak tenaga elektron yang telah hilang, ahli fizik membuat kesimpulan mengenai bahan yang dikaji.
Penulis dapat menambahkan maklumat pada teknik ini. Mereka menemui cara untuk mengukur bukan sahaja perubahan tenaga elektron, tetapi juga perubahan momentumnya. Mereka menamakan kaedah baru M-EELS (perkataan Inggeris untuk momentum bermaksud "impuls").
Para saintis memutuskan untuk menguji inovasi mereka pada kristal titanium dichalcogenide dichlorohydrate (1T-TiSe2). Yang mengejutkan mereka, pada suhu mendekati minus 83 darjah Celsius, mereka mendapati tanda-tanda keadaan yang jelas sebelum pembentukan excitonium - fasa yang disebut plasmon lembut. Hasilnya dihasilkan pada lima kristal berbeza.
"Hasil ini mempunyai makna kosmik," kata Abbamonte dalam siaran akhbar. "Sejak istilah 'kegembiraan' diciptakan pada tahun 1960-an oleh ahli fizik teori Harvard, Bert Halperin, ahli fizik telah berusaha untuk membuktikan keberadaannya. Ahli teori membahaskan sama ada ia akan menjadi penebat, konduktor yang ideal, atau superfluid - dengan beberapa hujah yang menarik dari semua pihak. Sejak tahun 1970-an, banyak eksperimen telah menerbitkan bukti keberadaan kegembiraan, tetapi hasilnya tidak menjadi bukti konklusif dan sama-sama dikaitkan dengan peralihan fasa struktur tradisional.
Masih terlalu awal untuk membincangkan aplikasi excitonium dalam teknologi, tetapi kaedah yang dikembangkan oleh saintis akan memungkinkan kajian bahan lain untuk mencari keadaan eksotik ini dan mengkaji sifatnya. Pada masa akan datang, ini boleh membawa kepada kemajuan teknikal yang ketara. Cukup untuk mengingat, misalnya, bahawa penemuan superkonduktiviti yang membolehkan jurutera membuat magnet yang sangat kuat. Dan mereka memberikan dunia kereta api Hadron Collider dan peluru besar. Dan kesan kuantum juga digunakan untuk membuat komputer kuantum. Bahkan komputer yang paling biasa adalah mustahil jika mekanik kuantum tidak menjelaskan tingkah laku elektron dalam semikonduktor. Oleh itu, penemuan asas yang dibuat oleh pasukan Abbamonte dapat membawa hasil teknologi yang paling tidak dijangka.
Anatoly Glyantsev
