Nepagaunamas jaudulys, kurio egzistavimas eksperimentiškai nebuvo įrodytas beveik pusę amžiaus, pagaliau parodė save tyrėjams. Apie tai rašoma straipsnyje, kurį Peterio Abbamonte vadovaujama tyrimų grupė paskelbė žurnale „Science“.
Prisiminkime tai trumpai. Elektronų judėjimą puslaidininkyje patogu apibūdinti naudojant skylės - vietos, kurioje trūksta elektrono, sąvoką. Skylė, žinoma, nėra tokia dalelė kaip elektronas ar protonas. Tačiau ji įvairiais būdais elgiasi kaip dalelė. Pavyzdžiui, galite apibūdinti jo judėjimą ir manyti, kad jis turi teigiamą elektros krūvį. Todėl objektus, tokius kaip skylė, fizikai vadina kvazidalelėmis.
Kvantinėje mechanikoje yra ir kitų kvazidalelių. Pavyzdžiui, Cooperio pora: elektronų duetas, judantis kaip visuma. Taip pat yra eksitoninė kvazidalelė, kuri yra elektrono ir skylės pora.
Teoriškai buvo prognozuojami eksitonai 1930 m. Daug vėliau jie buvo atrasti eksperimentiškai. Tačiau materijos būsena, vadinama jauduliu, niekada nebuvo pastebėta.
Paaiškinkime, apie ką kalbame. Ir tikrosios dalelės, ir kvazidalelės dalijamos į dvi dideles klases: fermionus ir bozonus. Pirmieji apima, pavyzdžiui, protonus, elektronus ir neutronus, antrieji - fotonus.
Fermionai laikosi fizinio dėsnio, vadinamo Pauli išskyrimo principu: du fermionai toje pačioje kvantinėje sistemoje (pavyzdžiui, du elektronai atome) negali būti toje pačioje būsenoje. Beje, būtent šio dėsnio dėka elektronai atome užima skirtingas orbitales, o visa minia jų nesurenka pačiu „patogiausiu“žemesnio energijos lygiu. Taigi būtent dėl Pauli principo periodinės lentelės elementų cheminės savybės yra tokios, kokias mes juos žinome.
Pauli draudimas netaikomas bozonams. Todėl, jei iš daugelio bozonų įmanoma sukurti vieną kvantinę sistemą (kaip taisyklė, tam reikia itin žemos temperatūros), tada visa įmonė mielai kaupiasi būsenoje, kurioje yra mažiausia energija.
Tokia sistema kartais vadinama Bose kondensatu. Ypatingas jo atvejis yra garsusis Bose-Einšteino kondensatas, kuriame ištisi atomai veikia kaip bozonai (mes taip pat rašėme apie šį nepaprastą reiškinį). Už eksperimentinį atradimą buvo paskirta 2001 m. Nobelio fizikos premija.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Minėta dviejų elektronų kvazidalelė (Cooperio pora) yra ne fermionas, o bozonas. Masinis tokių porų susidarymas sukelia tokį nuostabų reiškinį kaip superlaidumas. Fermionų susivienijimas į kvazidalelę-bozoną savo išvaizdą turi dėl superhidrumo helyje-3.
Fizikai jau seniai svajojo gauti tokį Bose kondensatą erdviniuose kristaluose (o ne plonoje plėvelėje), kai elektronai masiškai jungiasi su skylėmis į eksitonus. Juk eksitonai taip pat yra bozonai. Būtent ši materijos būsena vadinama jauduliu.
Tai nepaprastai įdomu mokslininkams, kaip ir bet kuri būsena, kurioje makroskopiniai medžiagos kiekiai pasižymi egzotinėmis savybėmis, kurias galima paaiškinti tik naudojant kvantinę mechaniką. Tačiau eksperimentiškai gauti šios būsenos dar nebuvo įmanoma. Greičiau nebuvo įmanoma įrodyti, kad jis buvo gautas.
Faktas yra tas, kad kalbant apie tuos parametrus, kuriuos galima tirti naudojant esamus metodus (pavyzdžiui, supergrotelės sandarą), eksitonijos negali būti atskiriamos nuo kitos materijos būsenos, žinomos kaip Peierlso fazė. Todėl mokslininkai negalėjo tiksliai pasakyti, kurią iš dviejų sąlygų jiems pavyko pasiekti.
Šią problemą išsprendė „Abbamonte“grupė. Mokslininkai ištobulino eksperimentinę techniką, vadinamą elektronų energijos nuostolių spektroskopija (EELS).
Atlikdami tokius tyrimus, fizikai bombarduoja medžiagą elektronais, kurių energija yra anksčiau žinotame siaurame diapazone. Po sąveikos su mėginiu elektronas praranda dalį energijos. Matuodami, kiek energijos prarado tam tikri elektronai, fizikai daro išvadas apie tiriamą medžiagą.
Autoriai galėjo pridėti informacijos prie šios technikos. Jie rado būdą išmatuoti ne tik elektrono energijos pokyčius, bet ir jo impulso pokyčius. Naująjį metodą jie pavadino M-EELS (angliškas žodis „impulsas“reiškia „impulsas“).
Mokslininkai nusprendė išbandyti savo naujoves ant titano dichalkogenogeno dichlorhidrato (1T-TiSe2) kristalų. Jų nuostabai, esant temperatūrai, artimai minus 83 laipsniams Celsijaus, jie rado aiškius būsenos, buvusios prieš eksitonio susidarymą, vadinamąją minkštųjų plazmonų fazę, požymius. Rezultatai buvo pakartoti ant penkių skirtingų kristalų.
"Šis rezultatas turi kosminę reikšmę", - sakė Abbamonte pranešime spaudai. - Nuo to laiko, kai šeštajame dešimtmetyje sąvoką „jaudulys“sugalvojo teorinis fizikas iš Harvardo Bertas Halperinas, fizikai bandė įrodyti jo egzistavimą. Teorikai diskutavo, ar tai būtų izoliatorius, ar idealus laidininkas, ar superkysta medžiaga - su tam tikrais svariais argumentais iš visų pusių. Nuo aštuntojo dešimtmečio daugelis eksperimentatorių paskelbė įrodymų, kad egzistuoja sužadinimas, tačiau jų rezultatai nebuvo įtikinami įrodymai ir vienodai siejami su tradiciniais struktūrinių fazių perėjimais.
Apie eksitonio taikymą technologijose kalbėti dar anksti, tačiau mokslininkų sukurtas metodas leis tiriant kitas medžiagas ieškoti šios egzotinės būsenos ir ištirti jos savybes. Ateityje tai gali sukelti reikšmingų techninių proveržių. Pakanka prisiminti, pavyzdžiui, kad superlaidumo atradimas leido inžinieriams sukurti ypač stiprius magnetus. Jie davė pasauliui ir „Large Hadron Collider“, ir kulkos traukinius. Kvantiniai efektai taip pat naudojami kuriant kvantinius kompiuterius. Net ir įprasti kompiuteriai būtų neįmanomi, jei kvantinė mechanika nepaaiškintų elektronų elgesio puslaidininkyje. Taigi esminis „Abbamonte“komandos atradimas gali suteikti netikėčiausių technologinių rezultatų.
Anatolijus Gljanevas