Kegembiraan yang sulit dipahami, yang keberadaannya tidak dapat dibuktikan secara eksperimental selama hampir setengah abad, akhirnya menunjukkan dirinya kepada para peneliti. Hal ini dilaporkan dalam sebuah artikel yang diterbitkan tim peneliti yang dipimpin oleh Peter Abbamonte di jurnal Science.
Mari kita mengingat ini secara singkat. Mudah untuk menggambarkan gerakan elektron dalam semikonduktor menggunakan konsep lubang - tempat di mana elektron hilang. Lubang, tentu saja, bukanlah partikel seperti elektron atau proton. Namun, ia berperilaku seperti partikel dalam banyak hal. Misalnya, Anda dapat mendeskripsikan pergerakannya dan menganggapnya membawa muatan listrik positif. Oleh karena itu, benda seperti lubang disebut oleh fisikawan kuasipartikel.
Ada kuasipartikel lain dalam mekanika kuantum. Misalnya, pasangan Cooper: duet elektron yang bergerak secara keseluruhan. Ada juga quasiparticle eksiton, yang merupakan sepasang elektron dan sebuah lubang.
Kegairahan secara teoritis diprediksi pada tahun 1930-an. Lama kemudian mereka ditemukan secara eksperimental. Namun, belum pernah keadaan materi yang dikenal sebagai eksiton diamati.
Mari kita jelaskan apa yang kita bicarakan. Partikel nyata dan partikel semu dibagi menjadi dua kelas besar: fermion dan boson. Yang pertama termasuk, misalnya, proton, elektron dan neutron, yang terakhir - foton.
Fermion mematuhi hukum fisika yang dikenal sebagai prinsip pengecualian Pauli: dua fermion dalam sistem kuantum yang sama (misalnya, dua elektron dalam atom) tidak dapat berada dalam keadaan yang sama. Omong-omong, berkat hukum inilah elektron-elektron dalam atom menempati orbital yang berbeda, dan tidak dikumpulkan oleh seluruh kerumunan pada tingkat energi yang paling "nyaman" lebih rendah. Jadi justru karena prinsip Pauli maka sifat kimiawi unsur-unsur tabel periodik seperti yang kita kenal.
Larangan Pauli tidak berlaku untuk boson. Oleh karena itu, jika dimungkinkan untuk membuat sistem kuantum terpadu dari banyak boson (biasanya, ini membutuhkan suhu yang sangat rendah), maka seluruh perusahaan dengan senang hati mengakumulasi dalam keadaan energi terendah.
Sistem seperti itu terkadang disebut kondensat Bose. Kasus khususnya adalah kondensat Bose-Einstein yang terkenal, di mana seluruh atom bertindak sebagai boson (kami juga menulis tentang fenomena luar biasa ini). Untuk penemuan eksperimentalnya, Hadiah Nobel Fisika 2001 dianugerahkan.
Video promosi:
Kuasipartikel dua elektron yang telah disebutkan (pasangan Cooper) bukanlah fermion, tetapi boson. Pembentukan besar-besaran pasangan seperti itu menyebabkan fenomena luar biasa seperti superkonduktivitas. Penyatuan fermion menjadi kuasipartikel-boson berutang penampilannya pada superfluiditas dalam helium-3.
Fisikawan telah lama bermimpi mendapatkan kondensat Bose seperti itu dalam kristal tiga dimensi (dan bukan dalam film tipis), ketika elektron secara masif bergabung dengan lubang menjadi eksiton. Lagipula, rangsangan juga boson. Keadaan materi inilah yang disebut rangsangan.
Ini sangat menarik bagi para ilmuwan, seperti keadaan mana pun di mana volume materi makroskopik menunjukkan sifat eksotis yang hanya dapat dijelaskan menggunakan mekanika kuantum. Namun, keadaan ini belum dapat diperoleh secara eksperimental. Sebaliknya, tidak mungkin untuk membuktikan bahwa itu diterima.
Faktanya adalah bahwa dalam hal parameter tersebut yang dapat diselidiki dengan menggunakan teknik yang ada (misalnya, struktur superlattice), eksisi tidak dapat dibedakan dari keadaan materi lain, yang dikenal sebagai fase Peierls. Oleh karena itu, para ilmuwan tidak dapat mengatakan dengan pasti kondisi mana yang berhasil mereka dapatkan.
Masalah ini diselesaikan oleh kelompok Abbamonte. Para peneliti telah menyempurnakan teknik eksperimental yang dikenal sebagai spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS).
Dalam proses penelitian semacam ini, fisikawan membombardir materi dengan elektron, yang energinya terletak pada kisaran sempit yang diketahui sebelumnya. Setelah berinteraksi dengan sampel, elektron kehilangan sebagian energinya. Dengan mengukur berapa banyak energi yang hilang dari elektron tertentu, fisikawan menarik kesimpulan tentang zat yang diteliti.
Penulis dapat menambahkan informasi ke teknik ini. Mereka menemukan cara untuk mengukur tidak hanya perubahan energi sebuah elektron, tetapi juga perubahan momentumnya. Mereka menamai metode baru M-EELS (kata dalam bahasa Inggris untuk momentum berarti "impuls").
Para ilmuwan memutuskan untuk menguji inovasi mereka pada kristal titanium dichalcogenide dichlorohydrate (1T-TiSe2). Yang mengejutkan mereka, pada suhu mendekati minus 83 derajat Celcius, mereka menemukan tanda-tanda yang jelas dari keadaan sebelum pembentukan eksitonium - yang disebut fase plasmon lunak. Hasilnya direproduksi pada lima kristal berbeda.
"Hasil ini memiliki makna kosmik," kata Abbamonte dalam siaran pers. - Sejak istilah 'eksitoni' diciptakan pada tahun 1960-an oleh fisikawan teoritis dari Harvard, Bert Halperin, fisikawan telah mencoba membuktikan keberadaannya. Para ahli teori memperdebatkan apakah itu akan menjadi isolator, konduktor ideal, atau cairan super - dengan beberapa argumen menarik dari semua sisi. Sejak 1970-an, banyak peneliti telah menerbitkan bukti keberadaan eksitoni, tetapi hasil mereka belum menjadi bukti konklusif dan sama-sama dapat dikaitkan dengan transisi fase struktural tradisional.
Masih terlalu dini untuk berbicara tentang aplikasi eksitonium dalam teknologi, tetapi metode yang dikembangkan oleh para ilmuwan akan memungkinkan penyelidikan zat lain untuk mencari keadaan eksotis ini dan mempelajari sifat-sifatnya. Di masa mendatang, hal ini dapat menyebabkan terobosan teknis yang signifikan. Cukuplah untuk mengingat, misalnya, bahwa penemuan superkonduktivitaslah yang memungkinkan para insinyur menciptakan magnet yang sangat kuat. Dan mereka memberi dunia Large Hadron Collider dan kereta peluru. Dan efek kuantum juga digunakan untuk membuat komputer kuantum. Bahkan komputer yang paling biasa pun tidak akan mungkin jika mekanika kuantum tidak menjelaskan perilaku elektron dalam semikonduktor. Jadi penemuan mendasar yang dibuat oleh tim Abbamonte bisa membawa hasil teknologi yang paling tidak terduga.
Anatoly Glyantsev
