Los excitones son pares de electrones y huecos dentro de un material sólido que juntos se comportan como una sola partícula. Desde hace mucho tiempo se sospecha que cuando existen muchos de estos excitones en el mismo trozo de materia, pueden formar un solo estado cuántico gigante llamado condensado de Bose-Einstein, el mismo proceso que es responsable de que un metal pierda toda su resistencia eléctrica cuando se convierte en un superconductor, por ejemplo. Sin embargo, De hecho, probar que la condensación de excitones de Bose-Einstein ocurre en cualquier material real ha sido un desafío para los físicos durante décadas. Un experimento realizado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, realizado en colaboración con el investigador del UvA-Institute of Physics Jasper van Wezel, ha descubierto evidencia de que este escurridizo estado de la materia realmente existe. Sus resultados fueron publicados en Ciencias esta semana.
A principios del siglo XX, Los físicos descubrieron que el mundo que nos rodea consta de dos tipos de partículas:bosones y fermiones. La principal diferencia entre estas partículas es cómo se comportan cuando se intenta llevarlas al mismo estado físico, con la misma posición, la misma velocidad, etcétera. Mientras que para dos fermiones (como los electrones) es fundamentalmente imposible estar en el mismo estado exacto, dos o más bosones (como fotones, partículas de luz) pueden estar en el mismo estado al mismo tiempo sin ningún problema. De hecho, a temperaturas suficientemente bajas, colecciones de bosones preferirán tal situación:las partículas tienen la tendencia a ocupar el mismo estado, en un proceso conocido como condensación de Bose-Einstein.
Excitaciones
Para la mayoría de los tipos de bosones, La condensación de Bose-Einstein tiene lugar a temperaturas muy bajas, cerca de la temperatura mínima absoluta de 273 grados bajo cero en la escala Celsius. Una excepción a esta regla podría ser el comportamiento de los excitones en un cristal. Los excitones son combinaciones de electrones cargados negativamente y los llamados agujeros:la ausencia de un electrón en algún lugar del cristal, conduciendo a un excedente local de carga positiva. Los pares de electrones y huecos pueden unirse y comportarse como una sola partícula bosónica, el excitón.
Se predijo en la década de 1960 que, al igual que otros bosones, los excitones pueden formar condensados de Bose-Einstein. Es más, esto debería suceder a temperaturas mucho más altas que para la mayoría de las otras partículas; en teoría, podría suceder incluso a temperatura ambiente. Dado que las temperaturas más altas son mucho más fáciles de alcanzar en un entorno de laboratorio, Los excitones podrían proporcionar un entorno accesible en el que tanto las inusuales propiedades cuánticas de Bose-Einstein se condensan, así como las propiedades materiales únicas que otorgan a sus cristales anfitriones, puede ser investigado.
M-EELS
A pesar de la temperatura relativamente alta a la que el efecto descrito en el Ciencias ocurre el artículo (solo 100 grados centígrados más o menos por debajo de la temperatura ambiente), y a pesar de la sospecha de la presencia de excitones durante muchos años, demostrar más allá de toda duda que los excitones forman realmente un condensado de Bose-Einstein resultó ser sorprendentemente difícil. La razón principal es que existe un fenómeno físico diferente que es difícil de distinguir de un condensado de excitones de Bose-Einstein:la formación del llamado estado de Peierls, donde los electrones dentro de una estructura cristalina se organizan espontáneamente en forma de onda, con picos y valles alternados de densidad de electrones. Tal onda tiene muchas de las mismas características físicas esperadas para un condensado de excitones de Bose-Einstein.
Un nuevo experimento realizado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en colaboración con investigadores de la Universidad de Oxford, y la Universidad de Amsterdam, ahora ha demostrado que la técnica experimental recientemente desarrollada de espectroscopia de pérdida de energía electrónica de resolución de momento (M-EELS para abreviar) les permite distinguir firmas únicas de excitones condensados en un material llamado diselenuro de titanio. Esta técnica fue desarrollada en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y por primera vez permite a los investigadores medir partículas bosónicas de baja energía hechas de electrones y huecos, independientemente de su impulso. Con esta capacidad única, Los investigadores pudieron demostrar que los excitones del diselenuro de titanio se aglomeran espontáneamente en un condensado de Bose-Einstein cuando el material se enfría por debajo de los 100 grados centígrados por debajo de la temperatura ambiente.
Estas mediciones por primera vez brindan evidencia convincente del hecho de que los excitones pueden formar un condensado de Bose-Einstein a temperaturas relativamente altas, Temperaturas de fácil acceso. Es más, muestran que M-EELS es una nueva técnica poderosa y versátil con muchas aplicaciones potenciales en el futuro. Los resultados han sido publicados en Ciencias esta semana.
