Püüdmatu erutus, mille olemasolu polnud võimalik eksperimentaalselt tõestada peaaegu pool sajandit, näitas ennast lõpuks teadlastele. Sellest on juttu artiklis, mille Peter Abbamonte juhitud uurimisrühm avaldas ajakirjas Science.
Meenutagem seda lühidalt. Elektroonide liikumist pooljuhis on mugav kirjeldada ava mõistega - koht, kus elektron puudub. Auk pole muidugi osake nagu elektron või prooton. Sellest hoolimata käitub see osakestena mitmel viisil. Näiteks võite kirjeldada selle liikumist ja arvata, et see kannab positiivset elektrilaengut. Seetõttu nimetavad füüsikud selliseid esemeid nagu auk kvaosakesteks.
Kvantmehaanikas on teisigi kvaosakesi. Näiteks Cooperi paar: tervikuna liikuv elektronide duett. Samuti on eksitoni kvaosake, mis on elektroni ja augu paar.
Teoreetiliselt ennustati eksitone 1930. aastatel. Palju hiljem avastati need eksperimentaalselt. Kuid kunagi varem pole täheldatud aine eksitoonina tuntud seisundit.
Selgitagem, millest jutt käib. Nii reaalsed osakesed kui ka kvaosakesed jagunevad kahte suurde klassi: fermionid ja bosoonid. Esimeste hulka kuuluvad näiteks prootonid, elektronid ja neutronid, teised - footonid.
Fermionid järgivad füüsilist seadust, mida nimetatakse Pauli välistamise printsiibiks: kaks fermiooni samas kvantsüsteemis (näiteks kaks elektroni aatomis) ei saa olla samas olekus. Muide, just tänu sellele seadusele hõivavad aatomi elektronid erinevaid orbitaale ja kogu rahvahulk ei kogu neid kõige mugavamal madalamal energiatasemel. Nii et just Pauli põhimõtte tõttu on perioodilise tabeli elementide keemilised omadused sellised, nagu me neid tunneme.
Pauli keeld ei kehti bosonite kohta. Seega, kui paljudest bosonitest on võimalik luua ühtne kvantsüsteem (reeglina nõuab see ülimadalat temperatuuri), siis kogu ettevõte koguneb õnnelikult kõige madalama energiaga olekusse.
Sellist süsteemi nimetatakse mõnikord Bose'i kondensaadiks. Selle erijuhtum on kuulus Bose-Einsteini kondensaat, kus terved aatomid toimivad bosonitena (kirjutasime ka sellest tähelepanuväärsest nähtusest). Eksperimentaalse avastuse eest anti 2001. aastal Nobeli füüsikaauhind.
Reklaamvideo:
Juba mainitud kahe elektroniga kvaosake (Cooperi paar) ei ole fermion, vaid boson. Selliste paaride massiline moodustumine toob kaasa sellise tähelepanuväärse nähtuse nagu ülijuhtivus. Fermioonide ühinemine kvaosakesteks-bosooniks võlgneb selle väljanägemise üleliisusele heelium-3-s.
Füüsikud on juba ammu unistanud sellise Bose kondensaadi saamisest kolmemõõtmelises kristallis (ja mitte õhukeses kiles), kui elektronid massiliselt aukudega ühinevad eksitoniteks. Lõppude lõpuks on eksitonid ka bosonid. Just seda aine seisundit nimetatakse erutuseks.
See on teadlaste jaoks äärmiselt huvitav, nagu iga seisund, kus aine makroskoopilistel mahtudel on eksootilisi omadusi, mida saab seletada ainult kvantmehaanika abil. Kuid seda seisundit pole seni olnud võimalik eksperimentaalselt saada. Pigem ei olnud võimalik tõendada, et see saadi kätte.
Fakt on see, et nende parameetrite osas, mida saab uurida olemasolevate tehnikate abil (näiteks supervõre struktuur), ei saa ergutusi eristada teisest aine seisundist, mida nimetatakse Peierlsi faasiks. Seetõttu ei osanud teadlased kindlalt öelda, millise neist kahest tingimusest õnnestus saavutada.
Selle probleemi lahendas Abbamonte grupp. Teadlased on täiustanud eksperimentaalset tehnikat, mida nimetatakse elektronide energiakadude spektroskoopiaks (EELS).
Sedalaadi uuringute käigus pommitavad füüsikud ainet elektronidega, mille energia jääb varem teada olevasse kitsasse vahemikku. Pärast prooviga suhtlemist kaotab elektron osa energiast. Mõõtes, kui palju energiat on teatud elektronid kaotanud, teevad füüsikud uuritava aine kohta järeldused.
Autorid suutsid sellele tehnikale teavet lisada. Nad leidsid viisi, kuidas mõõta mitte ainult elektroni energia muutumist, vaid ka selle impulsi muutust. Nad panid uuele meetodile nimeks M-EELS (ingliskeelne sõna impulss tähendab “impulss”).
Teadlased otsustasid testida oma uuendusi titaanddikalkogeniiddiklorohüdraadi (1T-TiSe2) kristallidel. Oma üllatuseks avastasid nad temperatuuril, mis oli lähedal miinus 83 kraadi Celsiuse järgi, selged märgid seisundist, mis eelnes eksitooniumi moodustumisele - nn pehmete plasmonide faasile. Tulemused reprodutseeriti viiel erineval kristallil.
"Sellel tulemusel on kosmiline tähendus," ütles Abbamonte pressiteates. Kuna Harvardi teoreetiline füüsik Bert Halperin lõi 1960. aastatel termini „erutus”, on füüsikud püüdnud selle olemasolu tõestada. Teoreetikud arutasid, kas see oleks isolaator, ideaalne dirigent või ülivedelik aine - mõnede kaalukate argumentidega igast küljest. Alates 1970. aastatest on paljud eksperimentaatorid avaldanud tõendeid eksitatsiooni olemasolu kohta, kuid nende tulemused ei ole olnud lõplikud tõendid ja need on samavõrra omistatavad traditsioonilisele struktuurifaaside üleminekule.
Eksititooniumi rakendustest tehnoloogias on veel vara rääkida, kuid teadlaste väljatöötatud meetod võimaldab teiste ainete uurimisel seda eksootilist seisundit otsida ja selle omadusi uurida. Tulevikus võib see viia märkimisväärsete tehniliste läbimurreteni. Piisab, kui meenutada näiteks, et just ülijuhtivuse avastamine võimaldas inseneridel luua ülitugevaid magneteid. Ja nad kinkisid maailmale nii Suure hadroni kokkupõrke kui ka kuulirongid. Ja kvantefekte kasutatakse ka kvantarvutite loomiseks. Isegi kõige tavalisemad arvutid oleksid võimatud, kui kvantmehaanika ei selgitaks elektronide käitumist pooljuhis. Nii et Abbamonte'i meeskonna põhjapanev avastus võib tuua kõige ootamatumaid tehnoloogilisi tulemusi.
Anatoli Gljantsev
