Физики обнаружили экзотический материал, состоящий из бозонов

7 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Соня Фернандес, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре

Возьмите решетку — плоскую часть сетки из однородных ячеек, например оконную сетку или соты, — и положите над ней другую такую ​​же решетку. Но вместо того, чтобы пытаться выровнять края или ячейки обеих решеток, поверните верхнюю сетку так, чтобы сквозь нее можно было видеть части нижней. Этот новый, третий узор представляет собой муар, и именно между этим типом перекрывающегося расположения решеток диселенида вольфрама и дисульфида вольфрама физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили некоторые интересные свойства материала.

«Мы открыли новое состояние материи — бозонно-коррелированный изолятор», — сказал Ричен Сюн, аспирант-исследователь из группы физика конденсированного состояния UCSB Чэньхао Цзинь и ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Science.

По словам Сюн, Джина и сотрудников из UCSB, Университета штата Аризона и Национального института материаловедения в Японии, впервые такой материал — высокоупорядоченный кристалл бозонных частиц, называемых экситонами, — был создан в «реальном» мире. (в отличие от синтетической) системы материи.

«Обычно люди тратят большую часть своих усилий на то, чтобы понять, что происходит, когда вы объединяете множество фермионов», — сказал Джин. «Основная цель нашей работы заключается в том, что мы, по сути, создали новый материал из взаимодействующих бозонов».

Субатомные частицы делятся на два основных типа: фермионы и бозоны. «Одно из самых больших различий заключается в их поведении», — сказал Джин.

«Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень; фермионы не любят оставаться вместе, — сказал он. — Вместе такое поведение создает вселенную такой, 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 (частицы света), как правило, сложнее создавать или манипулировать ими, поскольку они либо мимолетны, либо не взаимодействуют друг с другом.

Ключ к их различному поведению кроется в их различных квантово-механических характеристиках, объяснил Сюн. Фермионы имеют полуцелые «спины», такие как 1/2 или 3/2 и так далее, тогда как бозоны имеют целочисленные 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, исследователи 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 Джин. 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», — добавил 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.