Vědcům se podařilo prokázat nové skupenství hmoty - excitonium

10. 12. 2017

Fyzika Částicová fyzika Supravodivost Boseho-Einsteinův kondenzát

Skupenství hmoty excitonium bylo teoreticky předpovězeno už v 70. letech a jeho existence byla pozorována nepřímými důkazy, jde o tzv. Boseho-Einsteinův kondenzát tvořený excitony. Týmu vědců pod vedením profesora Petera Abbamonteho se nyní podařilo přijít s novými důkazy, které existenci excitonia jasně prokazují. Pomohla jim k tomu nová technika nazývaná M-EELS (Momentum-resolved Electron Energy-Loss Spectroscopy), kterou si sami vyvinuli pro měření nízkoenergetických bosonů. Výsledky výzkumu byly publikovány ve vědeckém magazínu Science v prosinci.

Excitonium

Struktura nového skupenství Excitonium. Lze si ji představit jako žluté cesty, které procházejí látkou v pevném skupenství.

Image credit:

Hmota má čtyři základní stavy nebo také skupenství: pevné, kapalné, plynné a plazmu. Potom ale existují další skupenství, která jsou buďto neklasická (například likvidní krystaly), vysokoenergetická (například kvarková hmota), nebo dosažená za nízkých teplot (například supratekuté látky nebo Boseho-Einsteinův kondenzát). 

Nově pozorovaný materiál patří do poslední skupiny, jde o Boseho-Einsteinův kondenzát z excitonů - zvláštních subatomárních kvazičástic, které jsou tvořené elektronem a dírou po elektronu, která vznikla jeho excitací z pevné molekulární struktury. Elektron má náboj záporný a díra po elektronu zase kladný, vzájemně se tak přitahují a za určitých podmínek společně chovají jako jeden boson.

Boseho-Einsteinův kondenzát je potom hmota tvořená bosony, která se vyskytuje při nízkých teplotách kolem absolutní nuly (-273 °C). Byla předpovězena už v roce 1925 Satyendrou Nath Bosem a Albertem Einsteinem a dochází při ní k pozorovatelnému kvantovému efektu na makromolekulární úrovni. Takový kondenzát vzniká, když je velmi řídký plyn ochlazený na velmi nízké teploty. Jeho existenci se podařilo prokázat už v 90. letech, kdy jej vyrobili Eric Cornell a Carl Wieman, kteří za to také byli oceněni Nobelovou cenou za fyziku v roce 2001.

Vědecký tým pod vedením Petera Abbamonteho ve spolupráci s několika univerzitami pracoval se selenidem titaničitým (TiSe2), u kterého dosáhli kýženého stavu už při teplotě -83 °C. Při této teplotě detekovali tzv. "soft plasmon" (měkký plasmon), který je předchází excitoniu a vědci jej považují za první pozorovaný důkaz kondenzace excitonů v pevném skupenství.

A jak se vlastně hmota v excitoniu chová? Vědci ještě neví, jde o tak novou a ne zrovna předvídatelnou věc, že je vyžadováno další zkoumání. Podle Abbamonteho se někteří vědci domnívají že půjde o elektrický izolant, jiní předpokládají naopak supratekutost, při které by látka převáděla elektřinu i energii bez sebemenšího odporu.