Что такое экситоний и почему за ним будущее?

С 1960-х годов физики-теоретики предполагали существование необычного сверхпроводящего материала, но доказать его существование с помощью квантовой механики ученые смогли лишь 50 лет спустя.



Первооткрыватели новой формы материи, которую назвали «экситоний» (лат. excitonium), — исследователи из Университета штата Иллинойс. Этот материал состоит из частиц подобных бозонам, которые позволяют материи проявлять свойства сверхжидкости, сверхпроводника и даже изолирующего электронного кристалла. Эти свойства таинственного типа материи теоретически были описаны более 50 лет назад.

Секреты квантовой механики

Экситоний — это конденсат, состоящий из экситонов, которые в свою очередь являются квазичастицами, представляющими собой связанное состояние электрона и так называемой «дырки», другой квазичастицы. Подобный хитроумный квантовомеханический синтез возможен благодаря тому, что в полупроводниках электроны на грани одного энергетического уровня атома способны при возбуждении переходить на другой энергетический уровень, оставляя после себя дырку. Можно представить эту квазичастицу отверстием, действующим как положительно заряженная частица, которая стремится притянуть ускользнувший от нее электрон (имеющий отрицательный заряд).



Для того, чтобы доказать существование экситонов, пришлось изучать кристаллы, покрытые диэлкогенидом титана (1T-TiSe2). Для большей достоверности эксперимент был воспроизведен 5 раз. Исследования экситонов оставались областью теорий и предположений во многом потому, что у ученых попросту не было подходящего технического оборудования. Физики смогли впервые измерить совместное возбуждение низкоэнергетических бозонных частиц (пары «электрон-дырка»), какими бы слабыми не были их импульсы, только вооружившись высокочувствительными приборами.

И что дальше?

Это открытие имеет буквально «космическое значение». С тех пор, как физик-теоретик Берт Гальперин из Гарварда придумал термин «экситоний» в 1960-х годах, другие физики пытались доказать или опровергнуть его существование. Они обсуждали то, будет ли вещество вести себя как идеальный проводник, сверхтекучая жидкость или изоляционный материал, приводя в спорах весьма убедительные аргументы. В конце 1970-х годов многие экспериментаторы публиковали работы, в которых заявляли об открытии долгожданного вещества, однако результаты их исследований не были окончательным доказательством — подобную картину мог создать и обычный структурный фазовый переход.
Теперь же, когда существование экситония доказано, ученые займутся более детальным изучением его свойств. В качестве сверхпроводника и сверхтекучего материала он может быть использован для дальнейшего улучшения уже существующих технологий. Кроме того, сам факт его открытия является доказательством возможности использовать квантовую механику в прикладных целях и, быть может, именно благодаря этому исследованию наше понимание физики уже в ближайшем будущем перейдет на качественно новый уровень.