Representación artística de los excitones colectivos de un sólido excitónico. Estas excitaciones pueden considerarse como paredes de dominio de propagación (amarillo) en un fondo de excitón sólido ordenado de otra manera (azul). Crédito:Peter Abbamonte, U. de I. Departamento de Física y Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz
Excitonium tiene un equipo de investigadores en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ... bueno ... ¡emocionado! El profesor de Física Peter Abbamonte y los estudiantes de posgrado Anshul Kogar y Mindy Rak, con aportes de colegas de Illinois, Universidad de California, Berkeley, y la Universidad de Amsterdam, han probado la existencia de esta enigmática nueva forma de materia, lo que ha dejado perplejos a los científicos desde que se teorizó por primera vez hace casi 50 años.
El equipo estudió cristales no dopados del diselenuro de titanio dicalcogenuro de metal de transición (1T-TiSe 2 ) y reprodujeron sus sorprendentes resultados cinco veces en diferentes cristales escindidos. El profesor de física de la Universidad de Amsterdam, Jasper van Wezel, proporcionó una interpretación teórica crucial de los resultados experimentales.
Entonces, ¿qué es exactamente el excitonio?
El excitonio es un condensado:presenta fenómenos cuánticos macroscópicos, como un superconductor, o superfluido, o cristal electrónico aislante. Se compone de excitones partículas que se forman en un emparejamiento mecánico cuántico muy extraño, a saber, el de un electrón escapado y el agujero que dejó atrás.
Desafía la razón pero resulta que cuando un electrón, sentado en el borde de una banda de valencia llena de electrones en un semiconductor, se excita y salta por encima de la brecha de energía a la banda de conducción que de otro modo estaría vacía, deja un "agujero" en la banda de valencia. Ese agujero se comporta como si fuera una partícula con carga positiva, y atrae el electrón escapado. Cuando el electrón escapado con su carga negativa, se empareja con el agujero, los dos forman notablemente una partícula compuesta, un bosón, un excitón.
De hecho, Los atributos de partículas del agujero son atribuibles al comportamiento colectivo de la multitud de electrones circundante. Pero esa comprensión hace que la pareja no sea menos extraña y maravillosa.
¿Por qué ha tardado 50 años en descubrirse el excitonio en materiales reales?
Hasta ahora, los científicos no han tenido las herramientas experimentales para distinguir positivamente si lo que parecía excitonio no era en realidad una fase de Peierls. Aunque no tiene ninguna relación con la formación de excitones, Las fases de Peierls y la condensación del excitón comparten la misma simetría y observables similares:una superrejilla y la apertura de una brecha de energía de una sola partícula.
La relación entre energía e impulso para el modo colectivo excitónico observado con M-EELS. Crédito:Peter Abbamonte, U. de I. Departamento de Física y Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz
Abbamonte y su equipo pudieron superar ese desafío mediante el uso de una técnica novedosa que desarrollaron llamada espectroscopia de pérdida de energía electrónica de resolución de momento (M-EELS). M-EELS es más sensible a las excitaciones de la banda de valencia que las técnicas inelásticas de dispersión de rayos X o neutrones. Kogar modernizó un espectrómetro EEL, que por sí solo podría medir solo la trayectoria de un electrón, dando cuánta energía e impulso perdió, con un goniómetro, lo que permite al equipo medir con mucha precisión el impulso de un electrón en el espacio real.
Con su nueva técnica, el grupo pudo por primera vez medir las excitaciones colectivas de las partículas bosónicas de baja energía, los electrones y huecos emparejados, independientemente de su impulso. Más específicamente, el equipo logró la primera observación en cualquier material del precursor de la condensación de excitones, una fase de plasmón suave que emergió cuando el material se acercó a su temperatura crítica de 190 Kelvin. Esta fase de plasmón blando es una prueba "humeante" de la condensación del excitón en un sólido tridimensional y la primera prueba definitiva del descubrimiento del excitonio.
"Este resultado es de importancia cósmica, "afirma Abbamonte". Desde que el término 'excitonio' fue acuñado en la década de 1960 por el físico teórico de Harvard Bert Halperin, los físicos han tratado de demostrar su existencia. Los teóricos han debatido si sería un aislante, un conductor perfecto, o un superfluido, con algunos argumentos convincentes por todos lados. Desde la década de 1970, muchos experimentales han publicado pruebas de la existencia de excitonio, pero sus hallazgos no fueron una prueba definitiva y podrían igualmente haber sido explicados por una transición de fase estructural convencional ".
Rak recuerda el momento trabajando en el laboratorio de Abbamonte, cuando comprendió por primera vez la magnitud de estos hallazgos:"Recuerdo que Anshul estaba muy entusiasmado con los resultados de nuestras primeras mediciones en TiSe 2 . Estábamos parados en una pizarra en el laboratorio mientras me explicaba que acabábamos de medir algo que nadie había visto antes:un plasmón blando ".
El profesor de física de la U de I Peter Abbamonte (centro) trabaja con los estudiantes graduados Anshul Kogar (derecha) y Mindy Rak (izquierda) en su laboratorio en el Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz. Crédito:L. Brian Stauffer, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
"La emoción generada por este descubrimiento permaneció con nosotros durante todo el proyecto, ", continúa." El trabajo que hicimos en TiSe 2 me permitió ver la promesa única que tiene nuestra técnica M-EELS para avanzar en nuestro conocimiento de las propiedades físicas de los materiales y ha motivado mi investigación continua sobre TiSe 2 . "
Kogar admite, descubrir el excitonio no fue la motivación original para la investigación; el equipo se había propuesto probar su nuevo método M-EELS en un cristal que estaba disponible fácilmente, cultivado en Illinois por el ex estudiante graduado Young Il Joe, ahora de NIST. Pero enfatiza, no casualmente, el excitonio fue de gran interés:
"Este descubrimiento fue fortuito. Pero Peter y yo tuvimos una conversación hace unos 5 o 6 años abordando exactamente este tema del modo electrónico suave, aunque en un contexto diferente, la inestabilidad del cristal Wigner. Entonces, aunque no entendimos de inmediato por qué estaba ocurriendo en TiSe 2 , sabíamos que era un resultado importante, y uno que se había estado gestando en nuestras mentes durante algunos años ".
Los hallazgos del equipo se publican en el 8 de diciembre de Número 2017 de la revista Ciencias en el artículo, "Firmas de condensación de excitones en un dicalcogenuro de metal de transición".
Esta investigación fundamental es muy prometedora para descubrir más misterios de la mecánica cuántica:después de todo, el estudio de los fenómenos cuánticos macroscópicos es lo que ha dado forma a nuestra comprensión de la mecánica cuántica. También podría arrojar luz sobre la transición metal-aislante en sólidos de banda, en el que se cree que juega un papel la condensación de excitones. Más allá de eso, Las posibles aplicaciones tecnológicas del excitonio son puramente especulativas.
