Excitons är par av elektroner och hål inuti ett fast material som tillsammans beter sig som en enda partikel. Det har länge varit misstänkt att när många sådana excitoner finns i samma sak, de kan bilda ett enda gigantiskt kvanttillstånd som kallas ett Bose-Einstein-kondensat-samma process som är ansvarig för att en metall tappar allt sitt elektriska motstånd när den blir en superledare, till exempel. Dock, att bevisa att Bose-Einsteins kondensation av excitoner förekommer i något verkligt material har varit en utmaning för fysiker i decennier. Ett experiment gjort vid University of Illinois i Urbana-Champaign, genomförs i samarbete med UvA-institutet för fysikforskare Jasper van Wezel, har avslöjat bevis på att detta svårfångade tillstånd verkligen finns. Deras resultat publicerades i Vetenskap Denna vecka.
I början av 1900 -talet, fysiker upptäckte att världen omkring oss består av två typer av partiklar:bosoner och fermioner. Den största skillnaden mellan dessa partiklar är hur de beter sig när man försöker föra dem i samma fysiska tillstånd, med samma position, samma hastighet, och så vidare. Även om det för två fermioner (som elektroner) är i grunden omöjligt att någonsin befinna sig i exakt samma tillstånd, två eller flera bosoner (t.ex. fotoner, ljuspartiklar) kan vara i samma tillstånd samtidigt utan problem. Faktiskt, vid tillräckligt låga temperaturer, samlingar av bosoner kommer att föredra en sådan situation:partiklarna har en tendens att alla upptar samma tillstånd, i en process som kallas Bose-Einstein-kondens.
Excitons
För de flesta typer av bosoner, Bose-Einstein-kondensering sker vid mycket låga temperaturer, nära den absoluta temperaturen minimum 273 grader under noll på Celsius -skalan. Ett undantag från denna regel kan vara beteendet hos excitoner i en kristall. Excitoner är kombinationer av negativt laddade elektroner och så kallade hål - frånvaron av en elektron någonstans i kristallen, vilket leder till ett lokalt överskott av positiv laddning. Par av elektroner och hål kan bindas ihop och bete sig som en enda bosonisk partikel, exciton.
Det förutspåddes på 1960 -talet att precis som andra bosoner, excitoner kan bilda Bose-Einstein-kondensat. Dessutom, detta borde hända vid mycket högre temperaturer än för de flesta andra partiklar - i teorin kan det hända även vid rumstemperatur. Eftersom högre temperaturer är mycket lättare att nå i laboratorier, excitoner kan ge en tillgänglig miljö där både de ovanliga kvantegenskaperna hos Bose-Einstein kondenserar sig själva, liksom de unika materialegenskaper som de ger sina värdkristaller, kan utredas.
M-ÅL
Trots den relativt höga temperatur vid vilken effekten som beskrivs i Vetenskap artikel förekommer (bara 100 grader Celsius eller så under rumstemperatur), och trots att det finns misstänkta excitoner i många år, att bevisa bortom tvivel att excitoner verkligen bildar ett Bose-Einstein-kondensat visade sig vara förvånansvärt svårt. Huvudorsaken är att det finns ett annat fysiskt fenomen som är svårt att skilja från ett Bose-Einstein-kondensat av excitoner:bildandet av ett så kallat Peierls-tillstånd, där elektroner inuti en kristallstruktur spontant organiserar på ett vågliknande sätt, med alternerande toppar och tråg av elektrontäthet. En sådan våg har många av samma fysiska egenskaper som förväntas för ett Bose-Einstein-kondensat av excitoner.
Ett nytt experiment utfört vid University of Illinois i Urbana-Champaign, i samarbete med forskare vid University of Oxford, och universitetet i Amsterdam, har nu visat att den nyutvecklade experimentella tekniken för momentumlöst elektronenergiförlustspektroskopi (M-EELS för kort) gör det möjligt för dem att skilja unika signaturer av kondenserade excitoner i ett material som kallas titandiselenid. Denna teknik utvecklades vid University of Illinois i Urbana-Champaign, och för första gången tillåter forskare att mäta låsenergiska bosoniska partiklar gjorda av elektroner och hål, oavsett deras fart. Med denna unika förmåga, forskarna kunde bevisa att excitoner i titandiselenid spontant agglomerera till ett Bose-Einstein-kondensat när materialet kyls ner till under 100 grader under rumstemperatur.
Dessa mätningar för första gången ger övertygande bevis för det faktum att excitoner kan bilda ett Bose-Einstein-kondensat vid relativt högt, lättillgängliga temperaturer. Dessutom, de visar att M-EELS är en kraftfull och mångsidig ny teknik med många potentiella framtida applikationer. Resultaten har publicerats i Vetenskap Denna vecka.
