A fizikusok bozonokból álló anyagba botlanak

A tudósok a bozonikus részecskék, az úgynevezett excitonok kölcsönhatása révén felfedezték az anyag új állapotát, az úgynevezett „bozonikus koherens szigetelőt”. Ez a kutatás megnyithatja az utat a kondenzált anyag fizikájának új megértéséhez és új bozonikus anyagok létrehozásához.

Vegyünk egy rácsot – egy szabályos cellákból álló rács lapos részét, például egy ablakrácsot vagy méhsejtet –, és helyezzünk rá egy másik hasonló rácsot. De ahelyett, hogy megpróbálná az egyes rácsok éleit vagy celláit igazítani, csavarja meg a felső rácsot, hogy átláthassa az alsó rács egyes részeit. Ez az új, harmadik minta a moaré, és a volfrám-diszelenid és a volfrám-diszulfid rácsok ilyen beágyazott elrendezése között találtak érdekes anyagi viselkedést az UC Santa Barbara fizikusai.

„Felfedeztünk egy új halmazállapotot – egy koherens bozonszigetelőt” – mondta Richen Xiong, Chenhao Jin kutatócsoportjának végzett hallgatója, a UCLA kondenzált anyag fizikusa és a Science folyóiratban megjelent cikk vezető szerzője. Xiong, Jin és az UCSB, az Arizonai Állami Egyetem és a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézet munkatársai szerint ez az első alkalom, hogy ilyen anyagokat „valódi” (nem szintetikus) anyagrendszerben hoztak létre. Az egyedülálló anyag a bozonrészecskék magasan rendezett kristálya, az úgynevezett excitonok.

„Hagyományosan az emberek arra fektették a legtöbb erőfeszítést, hogy megértsék, mi történik, ha sok fermiont összerakunk” – mondta Jin. „Munkánk fő mozgatórugója az, hogy lényegében új anyagot hoztunk létre egymásra ható bozonokból.”

Két egymásra helyezett enyhén eltolt új mintát hoz létre, amelyet moire-nak hívnak. Köszönetnyilvánítás: Matt Bierko

Bosonic. csavarmenetes. szigetelő.

A szubatomi részecskék két nagy típusba sorolhatók: fermionok és bozonok. Az egyik legnagyobb különbség a viselkedésükben van, mondta Jin.

„A bozonok ugyanazt az energiaszintet foglalhatják el; a fermionok nem szeretnek együtt maradni” – mondta. Ezek a viselkedések együtt építik fel az általunk ismert univerzumot.”

A fermionok az elektronokhoz hasonlóan az általunk leginkább ismert anyag mögött állnak, mivel stabilak és az elektrosztatikus erőn keresztül kölcsönhatásba lépnek. Eközben a bozonokat, akárcsak a fotonokat (fényrészecskéket), általában nehezebb létrehozni vagy manipulálni, mert vagy átmenetiek, vagy nem lépnek kölcsönhatásba egymással.

Különleges viselkedésük bizonyítéka, magyarázta Xiong, különböző kvantummechanikai tulajdonságaikban rejlik. A fermionok fél egész számú „pörgetéssel” rendelkeznek, például 1/2 vagy 3/2, míg a bozonok egész egész számokkal rendelkeznek (1, 2 stb.). Az exciton egy olyan állapot, amelyben egy negatív töltésű elektron (egy fermion) a megfelelő pozitív töltésű „lyukhoz” (egy másik fermionhoz) kötődik, fél egész számot összeforgatva egész számmá, ami bozont eredményez.

Jin laborja, balról jobbra: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. hitel
Sonia Fernandez

A rendszerükben lévő excitonok létrehozásához és azonosításához a kutatók rétegezték a két rácsot, és erős fényt világítottak rájuk az általuk „pumpás spektroszkópiának” nevezett módszerrel. A részecskék gyűjtése mind a rácsokból (elektronok a volfrám-diszulfidból és a lyukak a volfrám-dioxidból), mind a fény olyan környezetet teremtett, amely elősegíti az excitonok kialakulását és kölcsönhatásait, miközben lehetővé tette a kutatók számára e részecskék viselkedésének vizsgálatát.

– És amikor ezek az excitonok elértek egy bizonyos sűrűséget, már nem tudtak mozogni – mondta Jin. Az erős kölcsönhatásoknak köszönhetően ezeknek a részecskéknek a kollektív viselkedése bizonyos sűrűségnél kristályos állapotba kényszerítette őket, és stabilitásuknak köszönhetően szigetelő hatást keltett.

„Itt az történt, hogy felfedeztük azt a kapcsolatot, amely a bozonokat magasabb rendű állapotba sodorta” – tette hozzá Xiong. Általánosságban elmondható, hogy nagyon hideg hőmérsékleten a bozonok laza gyűjteménye kondenzátort alkotna, de ebben a rezsimben mind a fény, mind a megnövekedett sűrűség és a viszonylag magasabb hőmérsékleten való kölcsönhatás mellett szimmetrikusan töltött, semlegesen szilárd szigetelővé szerveződtek.

Ennek a furcsa halmazállapotnak a létrejötte bizonyítja, hogy a kutatók hullámos platform- és pumpás spektroszkópiája a bozonikus anyag létrehozásának és vizsgálatának fontos eszközévé válhat.

„Sok testfázis van a fermionokkal, amelyek olyan dolgokhoz vezetnek, mint a szupravezetés” – mondta Xiong. Számos bozonhoz hasonló test is létezik, amelyek szintén egzotikus fázisok. Tehát egy platformot hoztunk létre, mert nem igazán volt módunk arra, hogy valódi anyagokban bozonokat tanulmányozhassunk.” Hozzátette, hogy bár az excitonokat jól tanulmányozták, még ennek a projektnek sem volt módja rávenni őket, hogy erős interakcióba lépjenek a bozonokkal. egymás.

Módszerük révén Jin szerint nem csak az ismert bozonikus részecskék, például az excitonok tanulmányozása lehetséges, hanem az is, hogy új bozonikus anyagokkal több ablakot nyithassanak a kondenzált anyag világába.

„Tudjuk, hogy bizonyos anyagok nagyon furcsa tulajdonságokkal rendelkeznek” – mondta. „A kondenzált anyag fizikájának egyik célja az, hogy megértse, miért rendelkezik ilyen gazdag tulajdonságokkal, és megtalálja a módját, hogy ezek a viselkedések megbízhatóbban jelenjenek meg.”

Hivatkozás: „Excitonok koherens szigetelője a WSe-ben₂/ WS₂ Super Moiry”, Richen Xiong, Jacob H. Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai és Chenhao Jin 2023. május 11., elérhető itt. Tudományok.
DOI: 10.1126/science.add5574