Ny kvasipartikel opdaget:Introduktion af Pi-ton

I fysikken, der er meget forskellige typer af partikler:Elementærpartikler er de grundlæggende byggesten i stof. Andre partikler, såsom atomer, er bundne stater, der består af flere mindre bestanddele. Og så er der såkaldte "kvasi-partikler" - excitationer i et system, der består af mange partikler, som på mange måder selv opfører sig som en partikel.

En sådan kvasipartikel er nu blevet opdaget i computersimuleringer på TU Wien (Wien) og har fået navnet pi-ton. Den består af to elektroner og to huller. Den nye partikel præsenteres i journalen Fysiske anmeldelsesbreve , artiklen beskriver også, hvordan pi-tonet kan detekteres eksperimentelt.

Et hul er næsten en partikel

"Den enkleste kvasi-partikel er et hul, " forklarer prof. Karsten Held fra Institute for Solid State Physics ved TU Wien. "Lad os forestille os, for eksempel, at mange atomer er arrangeret i et regelmæssigt mønster i en krystal, og at der er et elektron i bevægelse ved hvert atom. Kun ved ét bestemt atom mangler elektronen - dette kaldes et hul." Nu kan en elektron bevæge sig op fra naboatomet. Det oprindelige hul er lukket, et nyt hul åbner sig.

I stedet for at beskrive bevægelsen af ​​elektroner i konstant bevægelse, det er lettere at studere hullets bevægelse. Hvis elektronerne bevæger sig til højre, hullet bevæger sig til venstre - og denne bevægelse følger visse fysiske regler, ligesom bevægelsen af ​​en almindelig partikel. Imidlertid, i modsætning til en elektron, som også kan observeres uden for krystallen, hullet eksisterer kun i forbindelse med de andre partikler. I dette tilfælde taler vi om en "kvasi-partikel".

"Imidlertid, skillelinjen mellem partikler og kvasipartikler er ikke så klar, som man skulle tro, " siger Karsten Held. "Strengt taget, selv almindelige partikler kan kun forstås i sammenhæng med deres miljø. Selv i et vakuum, partikelhul-excitationer forekommer konstant, dog i meget kort tid. Uden dem, massen af ​​en elektron for eksempel ville være helt anderledes. I denne forstand, selv i eksperimenter med almindelige elektroner, det, vi ser, er i virkeligheden en kvasipartikelelektron."

Mere komplicerede bindinger

Men der er også mere komplekse kvasi-partikler:excitonen, for eksempel, som spiller en vigtig rolle i halvlederfysik. Det er en bundet tilstand bestående af en elektron og et hul, som er skabt af lys. Elektronen er negativt ladet, hullet er fraværet af en negativ ladning - og dermed positivt ladet. Begge tiltrækker hinanden og kan danne et bånd.

"Vi ønskede faktisk at undersøge sådanne excitationer, " rapporterer Dr. Anna Kauch og Dr. Petra Pudleiner, avisens første forfattere. "Vi udviklede computersimuleringer til at beregne kvantefysiske effekter i faste stoffer." Men snart Anna Kauch, Petra Pudleiner og deres kollega Katharina Astleithner indså, at de var stødt på noget helt andet i deres beregninger - en helt ny type kvasipartikel. Den består af to elektroner og to huller, der kobles til omverdenen via fotoner.

Holdet gav dette hidtil ukendte objekt navnet pi-ton." "Navnet pi-ton kommer af, at de to elektroner og to huller holdes sammen af ​​ladningstæthedsudsving eller spinudsving, der altid vender deres karakter med 180 grader fra det ene gitterpunkt af krystallen til det næste – dvs med en vinkel på pi, målt i radianer, " forklarer Anna Kauch. "Denne konstante ændring fra plus til minus kan måske forestilles som en ændring fra sort til hvid på et skakbræt, " siger Petra Pudleiner. Pitonen skabes spontant ved at absorbere en foton. Når den forsvinder, en foton udsendes igen.

Partikelen, der kom ud af computeren

Indtil nu, pi-ton er blevet opdaget og verificeret ved computersimuleringer. For forskerholdet, der er ingen tvivl om pitonens eksistens:"Vi har nu undersøgt fænomenet pitonen ved hjælp af forskellige modeller - den dukker op igen og igen. Derfor, det skal helt sikkert kunne påvises i en række forskellige materialer. ", Karsten Held er overbevist. "Nogle eksperimentelle data opnået med materialet samariumtitanat synes allerede at pege på pi-tonet. Yderligere eksperimenter med fotoner og neutroner skulle snart give klarhed."

Selvom vi konstant er omgivet af utallige kvasipartikler - er opdagelsen af ​​en ny kvasipartikelart noget helt særligt. Udover spændingen, der er nu også pi-tonen. I hvert fald dette bidrager til en bedre forståelse af koblingen mellem lys og faste stoffer, et emne, der spiller en vigtig rolle ikke kun i grundforskning, men også i mange tekniske anvendelser – fra halvlederteknologi til solcelleanlæg.