Новости

Jun 11, 2023

Физики создали новое экзотическое состояние материи: бозонно-коррелированный изолятор

Это первый случай, когда высокоупорядоченный кристалл бозонных частиц, называемых экситонами, был создан в реальной, а не синтетической, системе материи. Сюн и др. наблюдал коррелированный изолятор

Это первый случай, когда высокоупорядоченный кристалл бозонных частиц, называемых экситонами, был создан в реальной, а не синтетической, системе материи.

Сюн и др. наблюдал коррелированный изолятор межслоевых экситонов в бислое, состоящем из диселенида вольфрама, в котором находились дырки, и дисульфида вольфрама, в котором находились электроны. Изображение предоставлено: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

Субатомные частицы делятся на два основных типа: фермионы и бозоны. Одно из самых больших различий заключается в их поведении.

Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень; фермионы не любят оставаться вместе. Вместе эти модели поведения создают Вселенную, какой мы ее знаем.

Фермионы, такие как электроны, лежат в основе материи, с которой мы наиболее знакомы, поскольку они стабильны и взаимодействуют посредством электростатических сил.

В то же время бозоны, такие как фотоны, как правило, труднее создавать или манипулировать ими, поскольку они либо мимолетны, либо не взаимодействуют друг с другом.

«Разгадка их разного поведения кроется в их различных квантово-механических характеристиках», — сказал первый автор Ричен Сюн, аспирант Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

«Фермионы имеют полуцелые спины, такие как 1/2 или 3/2 и т. д., в то время как бозоны имеют целые целые спины (1, 2 и т. д.)».

«Экситон — это состояние, в котором отрицательно заряженный электрон (фермион) связан со своей положительно заряженной противоположной дыркой (другим фермионом), при этом два полуцелых спина вместе становятся целым числом, создавая бозонную частицу».

Чтобы создать и идентифицировать экситоны в своей системе, Сюн и его коллеги наслаивали две решетки и освещали их сильным светом с помощью метода, который они называют спектроскопией накачки-зонда.

Комбинация частиц каждой из решеток (электронов дисульфида вольфрама и дырок диселенида вольфрама) и света создала благоприятную среду для формирования и взаимодействия между экситонами, позволяя исследователям исследовать поведение этих частиц.

«И когда эти экситоны достигли определенной плотности, они больше не могли двигаться», — сказал старший автор доктор Чэньхао Цзинь, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Благодаря сильным взаимодействиям коллективное поведение этих частиц при определенной плотности привело их в кристаллическое состояние и создало изолирующий эффект из-за их неподвижности.

«Здесь произошло следующее: мы обнаружили корреляцию, которая привела бозоны в высокоупорядоченное состояние», — сказал Сюн.

Обычно рыхлая совокупность бозонов при ультрахолодных температурах образует конденсат, но в этой системе, благодаря свету, повышенной плотности и взаимодействию при относительно более высоких температурах, они организовались в симметричный твердый изолятор с нейтральным зарядом.

Создание этого экзотического состояния материи доказывает, что муаровая платформа исследователей и спектроскопия накачки-зонда могут стать важным средством создания и исследования бозонных материалов.

«Существуют многочастичные фазы с фермионами, которые приводят к таким вещам, как сверхпроводимость», — объяснил Сюн.

«Есть также многочастичные аналоги с бозонами, которые также являются экзотическими фазами».

«Итак, мы создали платформу, потому что у нас не было хорошего способа изучать бозоны в реальных материалах».

«Хотя экситоны хорошо изучены, до этого проекта не было способа убедить их сильно взаимодействовать друг с другом».

С помощью метода команды можно будет не только изучать хорошо известные бозонные частицы, такие как экситоны, но и открыть больше окон в мир конденсированной материи с помощью новых бозонных материалов.

«Мы знаем, что некоторые материалы обладают очень странными свойствами», — сказал доктор Джин.

«И одна из целей физики конденсированного состояния — понять, почему они обладают такими богатыми свойствами, и найти способы сделать это поведение более надежным».

Работа опубликована в журнале Science.