L'inafferrabile eccitazione, la cui esistenza non è stata provata sperimentalmente per quasi mezzo secolo, si è finalmente mostrata ai ricercatori. Lo riporta un articolo che un gruppo di ricerca guidato da Peter Abbamonte ha pubblicato sulla rivista Science.
Ricordiamolo in poche parole. È conveniente descrivere il movimento degli elettroni in un semiconduttore usando il concetto di un buco, un luogo in cui manca un elettrone. Il buco, ovviamente, non è una particella come un elettrone o un protone. Tuttavia, si comporta come una particella in molti modi. Ad esempio, puoi descriverne il movimento e considerare che trasporta una carica elettrica positiva. Pertanto, oggetti come un buco sono chiamati quasiparticelle dai fisici.
Ci sono altre quasiparticelle nella meccanica quantistica. Ad esempio, una coppia di Cooper: un duetto di elettroni che si muovono nel loro insieme. C'è anche una quasiparticella eccitonica, che è una coppia di un elettrone e un buco.
Gli eccitoni erano teoricamente previsti negli anni '30. Molto tempo dopo furono scoperti sperimentalmente. Tuttavia, uno stato della materia noto come eccitonia non è mai stato osservato.
Spieghiamo di cosa stiamo parlando. Sia le particelle reali che le quasiparticelle sono divise in due grandi classi: fermioni e bosoni. I primi includono, ad esempio, protoni, elettroni e neutroni, i secondi i fotoni.
I fermioni obbediscono a una legge fisica nota come principio di esclusione di Pauli: due fermioni nello stesso sistema quantistico (ad esempio, due elettroni in un atomo) non possono essere nello stesso stato. A proposito, è grazie a questa legge che gli elettroni nell'atomo occupano orbitali diversi e non vengono raccolti dall'intera folla al livello di energia inferiore più "conveniente". Quindi è proprio a causa del principio di Pauli che le proprietà chimiche degli elementi della tavola periodica sono come le conosciamo.
Il divieto di Pauli non si applica ai bosoni. Pertanto, se è possibile creare un singolo sistema quantistico da molti bosoni (di norma, ciò richiede una temperatura estremamente bassa), l'intera azienda si accumula felicemente nello stato con l'energia più bassa.
Un tale sistema è talvolta chiamato condensato di Bose. Il suo caso speciale è il famoso condensato di Bose-Einstein, dove interi atomi agiscono come bosoni (abbiamo anche scritto di questo straordinario fenomeno). Per la sua scoperta sperimentale, è stato assegnato nel 2001 il Premio Nobel per la Fisica.
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La già citata quasiparticella di due elettroni (coppia di Cooper) non è un fermione, ma un bosone. La formazione massiccia di tali coppie porta a un fenomeno così notevole come la superconduttività. L'unificazione dei fermioni in un bosone quasiparticella deve il suo aspetto alla superfluidità dell'elio-3.
I fisici hanno a lungo sognato di ottenere un tale condensato di Bose in un cristallo tridimensionale (e non in una pellicola sottile), quando gli elettroni si combinano in modo massiccio con i buchi negli eccitoni. Dopotutto, anche gli eccitoni sono bosoni. È questo stato della materia che si chiama eccitonia.
È estremamente interessante per gli scienziati, come ogni stato in cui i volumi macroscopici di materia mostrano proprietà esotiche che possono essere spiegate solo usando la meccanica quantistica. Tuttavia, finora non è stato possibile ottenere questo stato sperimentalmente. Piuttosto, non è stato possibile dimostrare che è stato ricevuto.
Il fatto è che in termini di quei parametri suscettibili di indagine utilizzando tecniche esistenti (ad esempio, la struttura di un super reticolo), le eccitonie sono indistinguibili da un altro stato della materia, noto come fase di Peierls. Pertanto, gli scienziati non hanno potuto dire con certezza quale delle due condizioni sono riusciti a ottenere.
Questo problema è stato risolto dal gruppo Abbamonte. I ricercatori hanno perfezionato una tecnica sperimentale nota come spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS).
Nel corso di questo tipo di ricerca, i fisici bombardano la materia con elettroni, la cui energia si trova in un intervallo ristretto precedentemente noto. Dopo aver interagito con il campione, l'elettrone perde parte della sua energia. Misurando quanta energia hanno perso determinati elettroni, i fisici traggono conclusioni sulla sostanza in esame.
Gli autori sono stati in grado di aggiungere informazioni a questa tecnica. Hanno trovato un modo per misurare non solo il cambiamento nell'energia di un elettrone, ma anche il cambiamento nella sua quantità di moto. Hanno chiamato il nuovo metodo M-EELS (la parola inglese per slancio significa "impulso").
Gli scienziati hanno deciso di testare la loro innovazione sui cristalli di dichalcogenide diclorohydrate di titanio (1T-TiSe2). Con loro sorpresa, a temperature vicine a meno 83 gradi Celsius, hanno scoperto chiari segni di uno stato precedente la formazione dell'eccitonio, la cosiddetta fase dei plasmoni molli. I risultati sono stati riprodotti su cinque diversi cristalli.
"Questo risultato ha un significato cosmico", ha detto Abbamonte in un comunicato stampa. - Poiché il termine "eccitonia" è stato coniato negli anni '60 dal fisico teorico di Harvard, Bert Halperin, i fisici hanno cercato di dimostrarne l'esistenza. I teorici hanno discusso se sarebbe stato un isolante, un conduttore ideale o un superfluido - con alcuni argomenti convincenti da tutti i lati. Dagli anni '70, molti sperimentatori hanno pubblicato prove dell'esistenza dell'eccitonia, ma i loro risultati non sono stati prove conclusive e sono ugualmente attribuibili alle transizioni di fase strutturali tradizionali.
È troppo presto per parlare delle applicazioni dell'eccitonio nella tecnologia, ma il metodo sviluppato dagli scienziati consentirà di indagare su altre sostanze per cercare questo stato esotico e studiarne le proprietà. In futuro, questo può portare a importanti scoperte tecniche. Basti ricordare, ad esempio, che è stata la scoperta della superconduttività che ha permesso agli ingegneri di creare magneti super potenti. E hanno dato al mondo sia il Large Hadron Collider che i treni proiettile. E gli effetti quantistici vengono utilizzati anche per creare computer quantistici. Anche i computer più ordinari sarebbero impossibili se la meccanica quantistica non spiegasse il comportamento degli elettroni in un semiconduttore. Quindi la fondamentale scoperta fatta dal team di Abbamonte potrebbe portare i risultati tecnologici più inaspettati.
Anatoly Glyantsev
