Vědci objevili nový stav hmoty, nazvaný „bosonický koherentní izolátor“ prostřednictvím interakce bosonických částic zvaných excitony. Tento výzkum by mohl připravit cestu pro nové chápání fyziky kondenzovaných látek a vytváření nových bosonických materiálů.
Vezměte mřížku – plochou část mřížky pravidelných buněk, jako je okenní zástěna nebo plástev – a umístěte na ni další podobnou mřížku. Ale místo toho, abyste se snažili zarovnat okraje nebo buňky každé z mřížek, otočte horní mřížku tak, abyste viděli části spodní mřížky. Tento nový třetí vzor je moaré a právě mezi tímto druhem vnořeného uspořádání mřížek diselenidu wolframu a disulfidu wolframu našli fyzici UC Santa Barbara nějaké zajímavé materiálové chování.
„Objevili jsme nový stav hmoty – koherentní bosonový izolátor,“ řekl Richen Xiong, postgraduální studentský výzkumník ve skupině Chenhao Jin, fyzik kondenzovaných látek na UCLA a hlavní autor článku v časopise Science. Podle Xiong, Jin a spolupracovníků z UCSB, Arizona State University a National Institute of Materials Science v Japonsku je to poprvé, kdy byly takové materiály vytvořeny ve „skutečném“ (na rozdíl od syntetického) materiálovém systému. Unikátní látkou je vysoce uspořádaný krystal bosonových částic nazývaných excitony.
„Tradičně lidé vynaložili většinu svého úsilí na pochopení toho, co se stane, když dáte dohromady mnoho fermionů,“ řekl Jin. „Hlavním hnacím motorem naší práce je, že jsme v podstatě vytvořili nový materiál z interagujících bosonů.“
Dva naskládané mírně odsazené vytvářejí nový vzor zvaný moaré. Kredit: Matt Bierko
Bosonic. závitové. izolátor.
Subatomární částice přicházejí v jednom ze dvou širokých typů: fermiony a bosony. Jeden z největších rozdílů je v jejich chování, řekl Jin.
„Bosony mohou zaujímat stejnou energetickou hladinu; fermionové neradi zůstávají spolu,“ řekl. Společně toto chování vytváří vesmír, jak ho známe.“
Fermiony, stejně jako elektrony, jsou základem hmoty, kterou známe nejvíce, protože jsou stabilní a interagují prostřednictvím elektrostatické síly. Mezitím bosony, stejně jako fotony (částice světla), mají tendenci být obtížnější vytvářet nebo manipulovat, protože jsou buď přechodné, nebo spolu neinteragují.
Důkaz pro jejich charakteristické chování, vysvětlil Xiong, spočívá v jejich odlišných kvantově mechanických vlastnostech. Fermiony mají poloviční celočíselné „spiny“ jako 1/2 nebo 3/2, zatímco bosony mají celočíselné spiny (1, 2 atd.). Exciton je stav, ve kterém je záporně nabitý elektron (fermion) vázán na svou odpovídající kladně nabitou „díru“ (jiný fermion), stočí polovinu celého čísla dohromady, aby se stal celým číslem, což má za následek boson.
Jinova laboratoř, zleva doprava: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. kredit
Sonia Fernandezová
Aby vytvořili a identifikovali excitony v jejich systému, výzkumníci navrstvili dvě mřížky a posvítili na ně silnými světly metodou, kterou nazývají „pumpová spektroskopie“. Shromažďování částic jak z mřížek (elektronů ze sirníku wolframu a děr z oxidu wolframu), tak ze světla vytvořilo prostředí příznivé pro tvorbu a interakce mezi excitony a zároveň umožnilo výzkumníkům zkoumat chování těchto částic.
„A když tyto excitony dosáhly určité hustoty, nemohly se již pohybovat,“ řekl Jin. Díky silným interakcím je kolektivní chování těchto částic při určité hustotě přinutilo do krystalického stavu a díky jejich stabilitě vytvořilo izolační efekt.
„Tady se stalo, že jsme objevili vztah, který přivedl bosony do stavu vyššího řádu,“ dodal Xiong. Obecně by volná sbírka bosonů za velmi nízkých teplot vytvořila kondenzátor, ale v tomto režimu se světlem a zvýšenou hustotou a interakcí při relativně vyšších teplotách se organizovaly do symetricky nabitého neutrálně pevného izolátoru.
Vytvoření tohoto podivného stavu hmoty dokazuje, že zvlněná platforma a pumpová spektroskopie vědců se mohou stát důležitým prostředkem pro tvorbu a zkoumání bosonické hmoty.
„Existuje mnoho tělesných fází s fermiony, které vedou k věcem, jako je supravodivost,“ řekl Xiong. Existuje také mnoho těles podobných bosonům, která jsou také exotickými fázemi. Takže to, co jsme udělali, bylo vytvořit platformu, protože jsme opravdu neměli skvělý způsob, jak studovat bosony ve skutečných materiálech.“ Dodal, že i když byly excitony dobře prozkoumány, ani tento projekt nenašel způsob, jak je přimět k silné interakci. navzájem.
Prostřednictvím jejich metody může být podle Jina možné nejen studovat známé bosonické částice, jako jsou excitony, ale také otevřít další okna do světa kondenzované hmoty pomocí nových bosonických materiálů.
„Víme, že některé materiály mají velmi zvláštní vlastnosti,“ řekl. „Jedním z cílů fyziky kondenzovaných látek je pochopit, proč má tak bohaté vlastnosti, a najít způsoby, jak zajistit, aby toto chování vypadalo spolehlivěji.“
Odkaz: „Koherentní izolátor excitonů ve WSe2/ WS2 Super Moiry“ od Richen Xiong, Jacob H.Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai a Chenhao Jin 11. května 2023, k dispozici zde. vědy.
DOI: 10.1126/science.add5574
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
