Доказано существование новой формы материи

Международная группа исследователей доказала существование новой формы материи — экситония. Он является конденсатом экситонов — связанных друг с другом электронов и «дырок». Впервые это состояние вещества было предсказано почти 50 лет назад. Статья ученых опубликована в журнале Science. Об этом сообщается в пресс-релизе на сайте Phys.org.

Экситон образуется, когда один из электронов в валентной зоне полупроводника возбуждается и перескакивает в зону проводимости, оставляя за собой «дырку». Эта «дырка» может рассматриваться как частица с положительным зарядом, связанная с электроном, ушедшим в зону проводимости.

Экситон является бозоном, то есть в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное число таких частиц (в отличие от одиночных электронов). При сверхнизких температурах такие бозоны, как атомы гелия-4, собираются в одном состоянии с наименьшей энергией, формируя конденсат Бозе-Эйнштейна. В такой системе квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне, что приводит, например, к появлению сверхтекучести.

Проявления экситония (конденсата экситонов) неотличимы от фазы Пайерлса — деформации кристаллов, происходящей из-за взаимодействия электронов и фононов (квантов колебательного движения атомов кристалла).

Ученые доказали существование экситония с помощью модифицированной спектроскопии характеристических потерь энергии электронами (EELS). Образцы подвергаются облучению электронами с узким диапазоном энергий, после этого изучаются потери энергии последних. С помощью этого подхода удалось измерить коллективные возбуждения спаренных электронов и дырок. Когда кристаллы диселенида титана охлаждались до температуры 190 кельвинов (минус 83 градуса Цельсия), в них наблюдалась мягкая плазмонная фаза, являющаяся предшественницей экситония.