Inom fysiken, det finns väldigt olika typer av partiklar:Elementarpartiklar är materiens grundläggande byggstenar. Andra partiklar, som atomer, är bundna tillstånd som består av flera mindre beståndsdelar. Och så finns det så kallade "kvasipartiklar"-upphetsningar i ett system som består av många partiklar, som på många sätt beter sig precis som en partikel själva.

En sådan kvasipartikel har nu upptäckts i datorsimuleringar vid TU Wien (Wien) och fått namnet pi-ton. Den består av två elektroner och två hål. Den nya partikeln presenteras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , artikeln beskriver också hur pi-ton kan detekteras experimentellt.

Ett hål är nästan en partikel

"Den enklaste kvasi-partikeln är ett hål, "förklarar prof. Karsten Held från Institute for Solid State Physics vid TU Wien." Låt oss föreställa oss, till exempel, att många atomer är ordnade i ett regelbundet mönster i en kristall och att det finns en rörlig elektron vid varje atom. Endast vid en viss atom saknas elektronen - detta kallas ett hål. "Nu kan en elektron röra sig upp från den närliggande atomen. Det ursprungliga hålet är stängt, ett nytt hål öppnas.

Istället för att beskriva rörelsen hos elektroner i ständig rörelse, det är lättare att studera hålets rörelse. Om elektronerna rör sig till höger, hålet rör sig till vänster - och denna rörelse följer vissa fysiska regler, precis som rörelsen av en vanlig partikel. Dock, till skillnad från en elektron, som också kan observeras utanför kristallen, hålet existerar bara tillsammans med de andra partiklarna. I det här fallet talar vi om en "kvasipartikel".

"Dock, skiljelinjen mellan partiklar och kvasipartiklar är inte så tydlig som man kan tro, "säger Karsten Held." Strängt taget, även vanliga partiklar kan bara förstås i sin omgivning. Även i ett vakuum, partikelhåls excitationer uppstår ständigt, om än mycket kort tid. Utan dem, massan av en elektron till exempel skulle vara helt annorlunda. I det här sammanhanget, även i experiment med vanliga elektroner, vad vi ser är verkligen en kvasi-partikelelektron. "

Mer komplicerade bindningar

Men det finns också mer komplexa kvasipartiklar:excitonen, till exempel, som spelar en viktig roll i halvledarfysik. Det är ett bundet tillstånd som består av en elektron och ett hål, som skapas av ljus. Elektronen är negativt laddad, hålet är frånvaron av en negativ laddning - och därmed positivt laddad. Båda lockar varandra och kan bilda ett band.

"Vi ville faktiskt undersöka sådana excitoner, "rapportera Dr. Anna Kauch och Dr. Petra Pudleiner, tidningens första författare. "Vi utvecklade datasimuleringar för att beräkna kvantfysiska effekter i fasta ämnen." Men snart Anna Kauch, Petra Pudleiner och deras kollega Katharina Astleithner insåg att de hade stött på något helt annat i sina beräkningar-en helt ny typ av kvasipartikel. Den består av två elektroner och två hål som kopplas till omvärlden via fotoner.

Teamet gav detta tidigare okända objekt namnet pi-ton. "" Namnet pi-ton kommer från det faktum att de två elektronerna och de två hålen hålls samman av laddningsdensitetsfluktuationer eller spinnfluktuationer som alltid vänder deras karaktär 180 grader från en gitterpunkt av kristallen till nästa - dvs. med en pi -vinkel, mätt i radianer, "förklarar Anna Kauch." Denna ständiga förändring från plus till minus kan kanske tänkas som en förändring från svart till vitt på ett schackbräde, "säger Petra Pudleiner. Pitonen skapas spontant genom att absorbera en foton. När den försvinner, en foton avges igen.

Partikeln som kom ut ur datorn

Än så länge, pi-ton har upptäckts och verifierats genom datorsimuleringar. För forskargruppen, det råder ingen tvekan om förekomsten av pi-ton:"Vi har nu undersökt fenomenet pi-ton med hjälp av olika modeller-det dyker upp igen och igen. Därför, det borde definitivt vara detekterbart i en mängd olika material. ", Karsten Held är övertygad. "Vissa experimentella data som erhållits med materialet samariumtitanat verkar redan peka på pi-ton. Ytterligare experiment med fotoner och neutroner bör snart ge klarhet."

Även om vi ständigt omges av otaliga kvasipartiklar - är upptäckten av en ny kvasipartikelart något alldeles speciellt. Förutom exciton, det finns nu också pi-ton. Hur som helst, detta bidrar till en bättre förståelse av kopplingen mellan ljus och fasta ämnen, ett ämne som spelar en viktig roll inte bara inom grundforskning utan också i många tekniska tillämpningar - från halvledarteknik till solceller.