Excitonium har ett team av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign ... ja ... upphetsad! Professor i fysik Peter Abbamonte och doktorander Anshul Kogar och Mindy Rak, med input från kollegor i Illinois, University of California, Berkeley, och University of Amsterdam, har bevisat existensen av denna gåtfulla nya form av materia, som har förvirrat forskare sedan den först teoretiserades för nästan 50 år sedan.

Teamet studerade icke-dopade kristaller av den ofta analyserade övergångsmetallen dikalkogenid titandiselenid (1T-TiSe ₂ ) och återgav deras överraskande resultat fem gånger på olika kluvna kristaller. University of Amsterdam Professor i fysik Jasper van Wezel gav avgörande teoretisk tolkning av de experimentella resultaten.

Så vad är excitonium egentligen?

Excitonium är ett kondensat - det uppvisar makroskopiska kvantfenomen, som en superledare, eller superfluid, eller isolerande elektronisk kristall. Den består av excitoner, partiklar som bildas i en mycket märklig kvantmekanisk parning, nämligen den av en rymd elektron och hålet som den lämnade efter sig.

Det trotsar förnuftet, men det visar sig att när en elektron, sitter vid kanten av ett trångt-med-elektroner valensband i en halvledare, blir upphetsad och hoppar över energiklyftan till det annars tomma ledningsbandet, det lämnar efter sig ett "hål" i valensbandet. Det hålet beter sig som om det vore en partikel med positiv laddning, och det lockar till sig den rymda elektronen. När den rymda elektronen med sin negativa laddning, hänger ihop med hålet, de två bildar anmärkningsvärt en sammansatt partikel, en boson — en exciton.

Faktiskt, hålets partikelliknande attribut kan hänföras till det omgivande beteendet hos den omgivande elektronmängden. Men den förståelsen gör parningen inte mindre konstig och underbar.

Varför har det tagit 50 år att upptäcka excitonium i verkliga material?

Tills nu, forskare har inte haft de experimentella verktygen för att positivt skilja på om det som såg ut som excitonium i själva verket inte var en Peierls -fas. Även om det inte är helt relaterat till excitonbildning, Peierls-faser och excitonkondens har samma symmetri och liknande observerbara ämnen-ett supergitter och öppnandet av ett energiklyft med en partikel.

Abbamonte och hans team kunde övervinna den utmaningen genom att använda en ny teknik som de utvecklade kallad momentum-upplöst elektronenergiförlustspektroskopi (M-EELS). M-EELS är mer känslig för valensbandsexitationer än oelastiska röntgen- eller neutronspridningstekniker. Kogar eftermontera en EEL -spektrometer, som på egen hand endast kunde mäta banan för en elektron, ger hur mycket energi och fart det förlorade, med en goniometer, vilket gör att teamet kan mäta mycket exakt en elektrons rörelsemängd i det verkliga rummet.

Med sin nya teknik, gruppen kunde för första gången mäta kollektiva excitationer av de bosoniska partiklarna med låg energi, de parade elektronerna och hålen, oavsett deras fart. Mer specifikt, teamet uppnådde den första observationen någonsin i något material av prekursorn till excitonkondensation, en mjuk plasmonfas som uppstod när materialet närmade sig sin kritiska temperatur på 190 Kelvin. Denna mjuka plasmonfas är "rökpistol" bevis på excitonkondens i ett tredimensionellt fast ämne och det första definitiva beviset för upptäckten av excitonium.

"Detta resultat är av kosmisk betydelse, ", bekräftar Abbamonte. "Ända sedan termen 'excitonium' myntades på 1960-talet av Harvards teoretiske fysiker Bert Halperin, fysiker har försökt visa sin existens. Teoretiker har diskuterat om det skulle vara en isolator, en perfekt konduktör, eller en supervätska - med några övertygande argument från alla håll. Sedan 1970 -talet har många experimenter har publicerat bevis på förekomsten av excitonium, men deras resultat var inte definitiva bevis och kunde lika gärna ha förklarats av en konventionell strukturell fasövergång. "

Rak påminner om ögonblicket, arbetar i Abbamonte -laboratoriet, när hon först förstod storleken på dessa fynd:"Jag minns att Anshul var mycket upphetsad över resultaten av våra första mätningar på TiSe ₂ . Vi stod vid en whiteboard i labbet när han förklarade för mig att vi just hade mätt något som ingen tidigare sett:en mjuk plasmon. "

"Spänningen från denna upptäckt förblev med oss ​​under hela projektet, "fortsätter hon." Arbetet vi gjorde på TiSe ₂ tillät mig att se det unika löfte som vår M-EELS-teknik har för att öka vår kunskap om materialens fysiska egenskaper och har motiverat min fortsatta forskning om TiSe ₂ ."

Kogar medger, att upptäcka excitonium var inte den ursprungliga motivationen för forskningen – teamet hade gett sig ut för att testa sin nya M-EELS-metod på en kristall som var lättillgänglig – odlad i Illinois av tidigare doktorand Young Il Joe, nu av NIST. Men han betonar, inte av en slump, excitonium var ett stort intresse:

"Denna upptäckt var serendipitös. Men Peter och jag hade haft en konversation för cirka 5 eller 6 år sedan och tog upp just detta ämne i det mjuka elektroniska läget, fast i ett annat sammanhang, Wigners kristallinstabilitet. Så även om vi inte direkt förstod varför det inträffade i TiSe ₂ , vi visste att det var ett viktigt resultat - och som hade bryggts i våra sinnen i några år. "

Teamets resultat publiceras den 8 december, 2017 års nummer av tidningen Vetenskap i artikeln, "Signaturer av excitonkondens i en övergångsmetall -dikalkogenid."

Denna grundläggande forskning har ett stort löfte om att låsa upp ytterligare kvantmekaniska mysterier:trots allt, studiet av makroskopiska kvantfenomen är det som har format vår förståelse av kvantmekaniken. Det kan också belysa metallisolatorövergången i bandfasta ämnen, där excitonkondens antas spela en roll. Bortom det, möjliga tekniska tillämpningar av excitonium är rent spekulativa.