Rappresentazione artistica degli eccitoni collettivi di un solido eccitonico. Queste eccitazioni possono essere pensate come pareti di dominio che si propagano (gialle) in uno sfondo di eccitoni solido altrimenti ordinato (blu). Credito:Pietro Abbamonte, U. of I. Department of Physics e Frederick Seitz Materials Research Laboratory
Excitonium ha un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign... beh... eccitati! Professore di Fisica Peter Abbamonte e dottorandi Anshul Kogar e Mindy Rak, con il contributo dei colleghi dell'Illinois, Università della California, Berkeley, e Università di Amsterdam, hanno dimostrato l'esistenza di questa nuova enigmatica forma di materia, che ha lasciato perplessi gli scienziati da quando è stato teorizzato per la prima volta quasi 50 anni fa.
Il team ha studiato i cristalli non drogati del diselenuro di titanio dicalcogenuro di titanio spesso analizzato (1T-TiSe 2 ) e hanno riprodotto i loro sorprendenti risultati cinque volte su diversi cristalli scissi. Il professore di fisica dell'Università di Amsterdam Jasper van Wezel ha fornito un'interpretazione teorica cruciale dei risultati sperimentali.
Quindi cos'è esattamente l'eccitonio?
L'eccitonio è un condensato:mostra fenomeni quantistici macroscopici, come un superconduttore, o superfluido, o cristallo elettronico isolante. È composto da eccitoni, particelle che si formano in un accoppiamento quantomeccanico molto strano, vale a dire quello di un elettrone sfuggito e il buco che ha lasciato.
sfida la ragione, ma si scopre che quando un elettrone, seduto al bordo di una banda di valenza piena di elettroni in un semiconduttore, si eccita e salta oltre il gap energetico verso la banda di conduzione altrimenti vuota, lascia un "buco" nella banda di valenza. Quel buco si comporta come se fosse una particella con carica positiva, e attrae l'elettrone sfuggito. Quando l'elettrone fuggito con la sua carica negativa, si accoppia con il buco, i due formano notevolmente una particella composita, un bosone:un eccitone.
In effetti, gli attributi di particella del buco sono attribuibili al comportamento collettivo della folla di elettroni circostante. Ma questa comprensione rende l'accoppiamento non meno strano e meraviglioso.
Perché l'eccitonio ha impiegato 50 anni per essere scoperto nei materiali reali?
Fino ad ora, gli scienziati non hanno avuto gli strumenti sperimentali per distinguere positivamente se quello che sembrava eccitonio non fosse in realtà una fase di Peierls. Sebbene non sia completamente correlato alla formazione degli eccitoni, Le fasi di Peierls e la condensazione degli eccitoni condividono la stessa simmetria e osservabili simili:un superreticolo e l'apertura di un gap energetico di una singola particella.
La relazione tra energia e quantità di moto per la modalità collettiva eccitonica osservata con M-EELS. Credito:Pietro Abbamonte, U. of I. Department of Physics e Frederick Seitz Materials Research Laboratory
Abbamonte e il suo team sono stati in grado di superare questa sfida utilizzando una nuova tecnica da loro sviluppata chiamata spettroscopia di perdita di energia di elettroni risolta in momento di moto (M-EELS). M-EELS è più sensibile alle eccitazioni della banda di valenza rispetto alle tecniche di diffusione anelastica di raggi X o neutroni. Kogar retrofit uno spettrometro EEL, che da solo potrebbe misurare solo la traiettoria di un elettrone, dando quanta energia e slancio ha perso, con un goniometro, che consente al team di misurare in modo molto preciso la quantità di moto di un elettrone nello spazio reale.
Con la loro nuova tecnica, il gruppo è stato in grado per la prima volta di misurare le eccitazioni collettive delle particelle bosoniche a bassa energia, gli elettroni e le lacune accoppiati, indipendentemente dal loro slancio. Più specificamente, il team ha ottenuto la prima osservazione in assoluto in qualsiasi materiale del precursore della condensazione degli eccitoni, una fase plasmonica morbida che è emersa quando il materiale si è avvicinato alla sua temperatura critica di 190 Kelvin. Questa fase del plasmone molle è la prova "pistola fumante" della condensazione di eccitoni in un solido tridimensionale e la prima prova definitiva per la scoperta dell'eccitonio.
"Questo risultato ha un significato cosmico, " afferma Abbamonte. "Fin da quando il termine 'eccitonio' è stato coniato negli anni '60 dal fisico teorico di Harvard Bert Halperin, i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza. I teorici hanno discusso se sarebbe un isolante, un perfetto conduttore, o un superfluido, con argomenti convincenti da tutte le parti. Dagli anni '70, molti sperimentali hanno pubblicato prove dell'esistenza di eccitonio, ma i loro risultati non erano una prova definitiva e avrebbero ugualmente potuto essere spiegati da una transizione di fase strutturale convenzionale".
Rak ricorda il momento, lavorando nel laboratorio di Abbamonte, quando ha compreso per la prima volta la grandezza di questi risultati:"Ricordo che Anshul era molto entusiasta dei risultati delle nostre prime misurazioni su TiSe 2 . Eravamo in piedi davanti a una lavagna in laboratorio mentre mi spiegava che avevamo appena misurato qualcosa che nessuno aveva visto prima:un plasmone morbido".
Il professore di fisica U of I Peter Abbamonte (al centro) lavora con gli studenti laureati Anshul Kogar (a destra) e Mindy Rak (a sinistra) nel suo laboratorio presso il Frederick Seitz Materials Research Laboratory. Credito:L. Brian Stauffer, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
"L'emozione generata da questa scoperta è rimasta con noi durante l'intero progetto, " continua. "Il lavoro che abbiamo fatto su TiSe 2 mi ha permesso di vedere la promessa unica che la nostra tecnica M-EELS mantiene per far progredire la nostra conoscenza delle proprietà fisiche dei materiali e ha motivato la mia continua ricerca su TiSe 2 ."
Kogar ammette, scoprire che l'eccitonio non era la motivazione originale per la ricerca - il team aveva deciso di testare il loro nuovo metodo M-EELS su un cristallo che era prontamente disponibile - coltivato in Illinois dall'ex studente laureato Young Il Joe, ora del NIST. Ma sottolinea, non a caso, l'eccitonio era un grande interesse:
"Questa scoperta è stata fortuita. Ma Peter e io abbiamo avuto una conversazione circa 5 o 6 anni fa, affrontando esattamente questo argomento della modalità elettronica morbida, anche se in un contesto diverso, l'instabilità del cristallo Wigner. Quindi, anche se non abbiamo capito immediatamente perché stava accadendo in TiSe 2 , sapevamo che si trattava di un risultato importante, e che si stava preparando nelle nostre menti da alcuni anni".
I risultati del team sono pubblicati l'8 dicembre Edizione 2017 della rivista Scienza Nell'articolo, "Segni di condensazione di eccitoni in un dicalcogenuro di metallo di transizione".
Questa ricerca fondamentale è molto promettente per svelare ulteriori misteri della meccanica quantistica:dopo tutto, lo studio dei fenomeni quantistici macroscopici è ciò che ha plasmato la nostra comprensione della meccanica quantistica. Potrebbe anche far luce sulla transizione metallo-isolante nei solidi di banda, in cui si ritiene che la condensazione degli eccitoni abbia un ruolo. Oltre a questo, le possibili applicazioni tecnologiche dell'eccitonio sono puramente speculative.
