Fysikere begejstrede over opdagelsen af ​​en ny form for stof, excitonium

Excitonium har et team af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign ... godt ... spændt! Professor i fysik Peter Abbamonte og kandidatstuderende Anshul Kogar og Mindy Rak, med input fra kolleger i Illinois, University of California, Berkeley, og universitetet i Amsterdam, har bevist eksistensen af ​​denne gådefulde nye form for stof, som har forvirret forskere siden den første gang blev teoretiseret for næsten 50 år siden.

Teamet undersøgte ikke-dopede krystaller af det ofte analyserede overgangsmetal dichalcogenid titanium diselenide (1T-TiSe ₂ ) og gengav deres overraskende resultater fem gange på forskellige spaltede krystaller. University of Amsterdam Professor i fysik Jasper van Wezel leverede afgørende teoretisk fortolkning af de eksperimentelle resultater.

Så hvad er excitonium egentlig?

Excitonium er et kondensat - det udviser makroskopiske kvantefænomener, som en superleder, eller superfluid, eller isolerende elektronisk krystal. Det består af excitoner, partikler, der dannes i en meget mærkelig kvantemekanisk parring, nemlig den af ​​en undsluppet elektron og det hul, den efterlod.

Det trodser fornuften, men det viser sig, at når en elektron, siddende ved kanten af ​​et overfyldt-med-elektroner valensbånd i en halvleder, bliver begejstret og hopper over energigabet til det ellers tomme ledningsbånd, det efterlader et "hul" i valensbåndet. Det hul opfører sig som om det var en partikel med positiv ladning, og det tiltrækker den undslapte elektron. Når den flygtede elektron med sin negative ladning, parrer med hullet, de to danner bemærkelsesværdigt en sammensat partikel, en boson - en exciton.

Faktisk, hullets partikelignende attributter kan tilskrives den kollektive adfærd hos den omgivende skare af elektroner. Men den forståelse gør parringen ikke mindre underlig og vidunderlig.

Hvorfor har excitonium taget 50 år at blive opdaget i virkelige materialer?

Indtil nu, forskere har ikke haft de eksperimentelle værktøjer til positivt at skelne mellem, om det, der lignede excitonium, faktisk ikke var en Peierls -fase. Selvom det er fuldstændig uden relation til exciton -dannelse, Peierls-faser og excitonkondens deler den samme symmetri og lignende observerbare-en supergitter og åbningen af ​​et enkeltpartikel energigab.

Abbamonte og hans team var i stand til at overvinde denne udfordring ved hjælp af en ny teknik, de udviklede, kaldet momentum-resolved elektronenergitabspektroskopi (M-EELS). M-EELS er mere følsom over for valensbåndets excitationer end uelastiske røntgen- eller neutronspredningsteknikker. Kogar eftermonterer et EEL -spektrometer, som i sig selv kun kunne måle elektronens bane, giver hvor meget energi og fart det tabte, med et goniometer, som gør det muligt for teamet at måle meget præcist en elektron momentum i det virkelige rum.

Med deres nye teknik, gruppen var for første gang i stand til at måle kollektive excitationer af de lavenergi-bosoniske partikler, de parrede elektroner og huller, uanset deres momentum. Mere specifikt, holdet opnåede den første nogensinde observation i ethvert materiale fra forløberen til exciton kondens, en blød plasmonfase, der opstod, da materialet nærmede sig sin kritiske temperatur på 190 Kelvin. Denne bløde plasmonfase er "rygende pistol" bevis på excitonkondens i et tredimensionelt fast stof og det første nogensinde endelige bevis for opdagelsen af ​​excitonium.

"Dette resultat er af kosmisk betydning, "bekræfter Abbamonte." Lige siden udtrykket 'excitonium' blev opfundet i 1960'erne af Harvard -teoretiske fysiker Bert Halperin, fysikere har søgt at demonstrere dens eksistens. Teoretikere har diskuteret, om det ville være en isolator, en perfekt dirigent, eller en superfluid - med nogle overbevisende argumenter fra alle sider. Siden 1970’erne har mange eksperimentelle har offentliggjort beviser for eksistonium, men deres fund var ikke et definitivt bevis og kunne ligeledes have været forklaret ved en konventionel strukturel faseovergang. "

Rak husker øjeblikket, arbejder i Abbamonte -laboratoriet, da hun første gang forstod omfanget af disse fund:"Jeg kan huske, at Anshul var meget begejstret for resultaterne af vores første målinger på TiSe ₂ . Vi stod ved et whiteboard i laboratoriet, da han forklarede mig, at vi lige havde målt noget, som ingen havde set før:en blød plasmon. "

"Spændingen fra denne opdagelse forblev hos os gennem hele projektet, "fortsætter hun." Det arbejde, vi lavede på TiSe ₂ tillod mig at se det unikke løfte, vores M-EELS-teknik holder for at fremme vores viden om materialers fysiske egenskaber og har motiveret min fortsatte forskning om TiSe ₂ . "

Kogar indrømmer, opdagelse af excitonium var ikke den oprindelige motivation for forskningen-teamet havde sat sig for at teste deres nye M-EELS-metode på en krystal, der var let tilgængelig-dyrket i Illinois af den tidligere kandidatstuderende Young Il Joe, nu på NIST. Men han understreger, ikke tilfældigt, excitonium var en stor interesse:

"Denne opdagelse var serendipitøs. Men Peter og jeg havde haft en samtale for omkring 5 eller 6 år siden om netop dette emne i den bløde elektroniske tilstand, dog i en anden sammenhæng, Wigner krystal ustabilitet. Så selvom vi ikke umiddelbart forstod hvorfor det skete i TiSe ₂ , vi vidste godt, at det var et vigtigt resultat - og et, der havde brygget i vores sind i et par år. "

Teamets resultater offentliggøres den 8. december, 2017 nummer af tidsskriftet Videnskab i artiklen, "Underskrifter af excitonkondens i et overgangsmetaldichalcogenid."

Denne grundforskning har et stort løfte om at låse op for yderligere kvantemekaniske mysterier:trods alt, studiet af makroskopiske kvantefænomener er det, der har formet vores forståelse af kvantemekanik. Det kunne også kaste lys over metal-isolatorovergangen i båndfaststoffer, hvor exciton -kondens menes at spille en rolle. Udover det, mulige teknologiske anvendelser af excitonium er rent spekulative.