Füüsikud on elevil, kuna avastasid mateeria uue vormi — ekstsitooniumi
Ekstsitoonium on teadlaste töörühma elevile ajanud. Füüsikaprofessor Peter Abbamonte ning magistriõppetudengid Anshul Kogar ja Mindy Rak koos Illinois’ ülikooli, California Berkeley ülikooli ja Amsterdami ülikooli kolleegide abiga on tõendanud aine uue ja mõistatusliku, uurijaid alates selle olemasolu postuleerimisest peaaegu 50 aastat tagasi hämmeldanud ainevormi olemasolu.
Töörühm uuris varem ohtralt analüüsitud siirdemetalli dikhalkogeniid-titaan-diseleniidi (1T-TiSe2) lisandkemikaalideta e dopantideta kristalle (ingl non-doped crystals) ja kordas katse üllatavaid tulemusi viiel korral erisugustes murtud kristallides. Katsetulemuste äärmiselt olulise teoreetilise tõlgenduse pakkus välja Amsterdami ülikooli füüsikaprofessor Jasper von Wezel.
Nähtus trotsib tervet mõistust
Ekstsitoonium on kondensaat — see ilmutab makroskoopilisi kvantnähtuseid nagu ülijuht, ülivedelik (ingl superfluid) või isoleeriv elektronkristall (ingl insulating electronic crystal). Ekstsitoonium koosneb ekstsitonidest, s.t osakestest, mis tekivad väga kummalise kvantmehhaanilise paarumise tagajärjel, moodustudes irdunud elektronist ja sellest järele jäänud august.
Ehkki selline nähtus trotsib tervet mõistust, tuleb välja, et kui pooljuhi elektronidest tulvil valentstsoonis (ingl valence band) paiknev elektron ergastub (sõnast „ergastunud“ (ingl excited) on tuletatud ka ekstsitonide nimetus. — Toim.) ja liigub nn keelutsoonist (ingl energy gap) muidu tühja juhtivustsooni (ingl conduction band), jääb sellest valentstsooni maha „auk“. See auk käitub nagu positiivse laenguga osake ja tõmbab lahkunud elektroni enda poole. Kui irdnud elektron, millel on negatiivne laeng, moodustab osakestepaari selle auguga, saab neist kahest uus komposiitosake ehk boson — täpsemalt ekstsiton.
Tegelikult on augu osakeselaadsete omaduste aluseks ümbritseva elektronidekogumi kollektiivne käitumine, kuid taoline arusaamine ei vähenda vastava paari tekkimist kuidagi vähem kummaliseks ja imeliseks.
Senini on teadlastel puudunud eksperimentaalsed tööriistad, mille abil kindlalt veenduda, et see, mis näeb välja nagu ekstsitoonium, pole tegelikult Peierlsi faas (ingl Peierls phase). Ehkki neil pole ekstsitonide tekkimisega mingit seost, on Peierlsi faasidel ja ekstsitonide kondensaadil sarnane sümmeetria ja vaadeldavad omadused — ülivõre (ingl superlattice) ja ühe osakese suuruse keelutsooni avanemine.
Abbamonte ja tema töörühm suutsid selle takistuse ületada nende endi väljatöötatud uudse tehnika abil, mida uurijad nimetavad impulsslahenduvaks elektroni energiakao spektroskoopiaks (ingl M-EELS; momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy). M-EELS on valentstsooni ergastuste suhtes tundlikum kui mitte-elastsed röntgenkiirguse või neutronite hajutamise põhised tehnikad. Kogar kombineeris selleks elektroni energiakao (ingl EEL; electron energy-loss) spektromeetri, mis üksi suudab mõõta vaid elektroni trajektoori ja öelda, kui palju energiat ja impulssi on kaduma läinud, goniomeetriga, mis võimaldas töörühmal ülitäpselt mõõta elektronide impulssi reaalruumis.
Uue tehnika toel õnnestus töörühmal esmakordselt mõõta madala energiaga boson-osakeste ergastumisi — s.t, omavahel paarunud elektrone ja auke — hoolimata nende impulsist. Täpsemalt öeldes vaatles töörühm esmakordselt mis tahes materjalis ekstsitonide kondensatsiooni prekursorit — pehmete plasmonide faasi, mis kerkis esile, kui materjal hakkas lähenema kriitilisele temperatuurile 190 kelvinit. See pehmete plasmonide faas on ümberlükkamatu tõend ekstsitonide kondensatsioonist kolmemõõtmelises tahkises ja ka esimene teadaolev kinnitus ekstsitooniumi olemasolule.
Avastus aitab kvantmõistatusi muukida
Protsessi kirjeldav uurimus ilmus tänavu 8. detsembril teadusajakirjas Science pealkirja all „Ekstsitonide kondensatsiooni signatuurid siirdemetallilises dikhalkogeniidis“ (Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide).
Fundamentaalne avastus rajab teed uute kvantmehhaaniliste mõistatuste lahtimuukimisele: lõppude lõpuks on ju just makroskoopiliste kvantnähtuste uurimine kujundanud meie arusaama kvantmehhaanikast. Samuti võib see heita valgust metalli ja isolaatori siiretele tsoontahkistes (ingl band solids), mille juures ekstsitonide kondensatsioonil arvatakse olevat oluline roll. Ekstsitooniumi muud tehnilised rakendused on aga puhtalt spekulatiivsed.
