Spontan Bose-Einstein kondensering af excitoner

Excitons er par af elektroner og huller inde i et fast materiale, der tilsammen opfører sig som en enkelt partikel. Det har længe været mistænkt, at når der findes mange sådanne excitoner i det samme stof, de kan danne en enkelt kæmpe kvantetilstand kaldet et Bose-Einstein-kondensat-den samme proces, som er ansvarlig for, at et metal mister al sin elektriske modstand, når det bliver en superleder, for eksempel. Imidlertid, faktisk at bevise, at Bose-Einstein kondensering af excitoner forekommer i ethvert reelt materiale, har været en udfordring for fysikere i årtier. Et eksperiment udført ved University of Illinois i Urbana-Champaign, udført i samarbejde med UvA-Institute of Physics-forsker Jasper van Wezel, har afdækket bevis for, at denne undvigende tilstand af sagen virkelig eksisterer. Deres resultater blev offentliggjort i Videnskab denne uge.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, fysikere opdagede, at verden omkring os består af to typer partikler:bosoner og fermioner. Hovedforskellen mellem disse partikler er, hvordan de opfører sig, når man forsøger at bringe dem i samme fysiske tilstand, med samme position, samme hastighed, og så videre. Mens det for to fermioner (såsom elektroner) er grundlæggende umuligt nogensinde at være i nøjagtig samme tilstand, to eller flere bosoner (såsom fotoner, lyspartikler) kan være i samme tilstand på samme tid uden problemer. Faktisk, ved lave nok temperaturer, samlinger af bosoner foretrækker en sådan situation:partiklerne har en tendens til alle at indtage den samme tilstand, i en proces kendt som Bose-Einstein kondens.

Excitons

For de fleste typer bosoner, Bose-Einstein kondens finder sted ved meget lave temperaturer, nær den absolutte temperatur minimum 273 grader under nul på Celsius -skalaen. En undtagelse fra denne regel kunne være excitons adfærd i en krystal. Excitons er kombinationer af negativt ladede elektroner og såkaldte huller - fraværet af en elektron et sted i krystallen, hvilket fører til et lokalt overskud af positiv ladning. Par af elektroner og huller kan bindes sammen og opføre sig som en enkelt bosonisk partikel, exciton.

Det blev forudsagt i 1960'erne, at ligesom andre bosoner, excitoner kan danne Bose-Einstein-kondensater. I øvrigt, dette burde ske ved meget højere temperaturer end for de fleste andre partikler - i teorien kan det ske selv ved stuetemperatur. Da højere temperaturer er meget lettere at nå i et laboratorium, excitoner kunne give en tilgængelig ramme, hvor både de usædvanlige kvanteegenskaber ved Bose-Einstein kondenserer sig selv, såvel som de unikke materialegenskaber, de tildeler deres værtskrystaller, kan undersøges.

M-ÅL

På trods af den relativt høje temperatur, ved hvilken effekten beskrevet i Videnskab artiklen forekommer (kun 100 grader celsius eller deromkring under stuetemperatur), og på trods af tilstedeværelsen af ​​excitoner, der har været mistænkt i mange år, beviser uden tvivl, at excitoner virkelig danner et Bose-Einstein-kondensat, viste sig at være overraskende vanskeligt. Hovedårsagen er, at der er et andet fysisk fænomen, som er svært at skelne fra et Bose-Einstein-kondensat af excitoner:dannelsen af ​​en såkaldt Peierls-tilstand, hvor elektroner inde i en krystalstruktur spontant organiserer sig på en bølgelignende måde, med vekslende toppe og trug med elektrontæthed. En sådan bølge har mange af de samme fysiske egenskaber, der forventes for et Bose-Einstein-kondensat af excitoner.

Et nyt eksperiment udført ved University of Illinois i Urbana-Champaign, i samarbejde med forskere ved University of Oxford, og universitetet i Amsterdam, har nu vist, at den nyudviklede eksperimentelle teknik med momentumopløst elektronenergitabspektroskopi (M-EELS for kort) gør det muligt for dem at skelne unikke signaturer af kondenserede excitoner i et materiale kaldet titaniumdiselenid. Denne teknik blev udviklet ved University of Illinois i Urbana-Champaign, og for første gang tillader forskere at måle lavenergi bosoniske partikler lavet af elektroner og huller, uanset deres momentum. Med denne unikke evne, forskerne var i stand til at bevise, at excitoner i titandiselenid spontant agglomererer til et Bose-Einstein-kondensat, når materialet afkøles til under 100 grader under stuetemperatur.

Disse målinger giver for første gang overbevisende beviser for, at excitoner kan danne et Bose-Einstein-kondensat ved relativt høj, let tilgængelige temperaturer. I øvrigt, de viser, at M-EELS er en kraftfuld og alsidig ny teknik med mange potentielle fremtidige applikationer. Resultaterne er blevet offentliggjort i Videnskab denne uge.