Gli eccitoni sono coppie di elettroni e lacune all'interno di un materiale solido che insieme si comportano come una singola particella. È stato a lungo sospettato che quando esistono molti di questi eccitoni nello stesso pezzo di materia, possono formare un singolo stato quantico gigante chiamato condensato di Bose-Einstein - lo stesso processo che è responsabile per un metallo che perde tutta la sua resistenza elettrica quando diventa un superconduttore, Per esempio. Però, provare effettivamente che la condensazione di eccitoni di Bose-Einstein si verifica in qualsiasi materiale reale è stata una sfida per i fisici per decenni. Un esperimento fatto all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, realizzato in collaborazione con il ricercatore dell'UvA-Institute of Physics Jasper van Wezel, ha scoperto prove che questo stato sfuggente della materia esiste davvero. I loro risultati sono stati pubblicati in Scienza questa settimana.
All'inizio del XX secolo, i fisici hanno scoperto che il mondo intorno a noi è costituito da due tipi di particelle:bosoni e fermioni. La principale differenza tra queste particelle è come si comportano quando si cerca di portarle nello stesso stato fisico, con la stessa posizione, la stessa velocità, e così via. Mentre per due fermioni (come gli elettroni) è fondamentalmente impossibile trovarsi nello stesso identico stato, due o più bosoni (come fotoni, particelle di luce) possono trovarsi nello stesso stato contemporaneamente senza problemi. Infatti, a temperature sufficientemente basse, le collezioni di bosoni preferiranno una situazione del genere:le particelle hanno la tendenza ad occupare tutte lo stesso stato, in un processo noto come condensazione di Bose-Einstein.
Eccitoni
Per la maggior parte dei tipi di bosoni, La condensazione di Bose-Einstein avviene a temperature molto basse, vicino alla temperatura minima assoluta di 273 gradi sotto zero sulla scala Celsius. Un'eccezione a questa regola potrebbe essere il comportamento degli eccitoni in un cristallo. Gli eccitoni sono combinazioni di elettroni caricati negativamente e cosiddetti buchi - l'assenza di un elettrone da qualche parte nel cristallo, determinando un surplus locale di carica positiva. Coppie di elettroni e lacune possono essere legate insieme e comportarsi come una singola particella bosonica, l'eccitone.
Negli anni '60 fu predetto che, proprio come altri bosoni, gli eccitoni possono formare condensati di Bose-Einstein. Inoltre, questo dovrebbe accadere a temperature molto più elevate rispetto alla maggior parte delle altre particelle – in teoria potrebbe accadere anche a temperatura ambiente. Poiché temperature più elevate sono molto più facili da raggiungere in un ambiente di laboratorio, gli eccitoni potrebbero fornire un ambiente accessibile in cui sia le insolite proprietà quantistiche dei condensati di Bose-Einstein stessi, così come le proprietà materiali uniche che conferiscono ai loro cristalli ospiti, può essere indagato.
M-EELS
Nonostante la temperatura relativamente alta alla quale l'effetto descritto nel Scienza l'articolo si verifica (solo 100 gradi centigradi circa al di sotto della temperatura ambiente), e nonostante la presenza di eccitoni fosse sospettata da molti anni, dimostrare senza dubbio che gli eccitoni formano davvero un condensato di Bose-Einstein si è rivelato sorprendentemente difficile. Il motivo principale è che esiste un fenomeno fisico diverso, difficilmente distinguibile da un condensato di eccitoni di Bose-Einstein:la formazione di un cosiddetto stato di Peierls, dove gli elettroni all'interno di una struttura cristallina si organizzano spontaneamente in modo ondulatorio, con alternanza di picchi e depressioni di densità elettronica. Tale onda ha molte delle stesse caratteristiche fisiche previste per un condensato di eccitoni di Bose-Einstein.
Un nuovo esperimento condotto presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Oxford, e l'Università di Amsterdam, ha ora dimostrato che la tecnica sperimentale di nuova concezione della spettroscopia a perdita di energia di elettroni risolta dal momento (M-EELS in breve) consente loro di distinguere le firme uniche di eccitoni condensati in un materiale chiamato diseleniuro di titanio. Questa tecnica è stata sviluppata presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, e per la prima volta permette ai ricercatori di misurare particelle bosoniche a bassa energia fatte di elettroni e lacune, indipendentemente dal loro slancio. Con questa capacità unica, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che gli eccitoni nel diseleniuro di titanio si agglomerano spontaneamente in un condensato di Bose-Einstein quando il materiale viene raffreddato a meno di 100 gradi centigradi al di sotto della temperatura ambiente.
Queste misurazioni per la prima volta forniscono prove convincenti del fatto che gli eccitoni possono formare un condensato di Bose-Einstein a livelli relativamente alti, temperature facilmente accessibili. Inoltre, mostrano che M-EELS è una nuova tecnica potente e versatile con molte potenziali applicazioni future. I risultati sono stati pubblicati in Scienza questa settimana.
