Відкрита нова квазічастинка: Пі-тона

У фізиці існують дуже різні типи частинок: Елементарні частинки є фундаментальними будівельними блоками речовини. Інші частинки, такі як атоми, є пов'язаними станами, що складаються з декількох менших складових. А ще існують так звані "квазічастинки" - збудження в системі, що складається з багатьох частинок, які багато в чому поводяться так само, як і самі частинки.

Зараз така квазічастинка була виявлена в комп'ютерному моделюванні в TU Wien (Відень) і названа pi-ton. Він складається з двох електронів і двох дірок. Нова частинка представлена в журналі "Physical Review Letters", у статті також описано, як пі-тон можна виявити експериментально.

Діра - це майже частинка

"Найпростіша квазічастинка - це діра", - пояснює професор Карстен Хелд з Інституту фізики твердого тіла ТУ Відень. "Уявімо, наприклад, що багато атомів розташовані в кристалі за регулярною схемою і що в кожному атомі є рухливий електрон. Лише в одному конкретному атомі електрон відсутній - це називається діркою". Тепер електрон може рухатися вгору від сусіднього атома. Оригінальний отвір закривається, відкривається новий отвір.

Замість опису руху постійно рухомих електронів простіше вивчити рух дірки. Якщо електрони рухаються праворуч, дірка рухається ліворуч - і цей рух відповідає певним фізичним правилам, як рух звичайної частинки. Однак, на відміну від електрона, який також можна спостерігати поза кристалом, дірка існує лише спільно з іншими частинками. У цьому випадку ми говоримо про "квазічастинку".

"Однак лінія поділу між частинками та квазічастинками не така чітка, як можна подумати", - говорить Карстен Хелд. "Власне кажучи, навіть звичайні частинки можна розуміти лише в контексті їхнього середовища. Навіть у вакуумі збудження дірчасті діри виникають постійно, хоча і дуже короткий час. Без них, наприклад, маса електрона була б повністю в цьому сенсі, навіть в експериментах зі звичайними електронами, ми бачимо насправді квазічастинок електрон ".

Більш складні облігації

Але існують і більш складні квазічастинки: екситон, наприклад, який відіграє важливу роль у фізиці напівпровідників. Це зв’язаний стан, що складається з електрона і дірки, який створюється світлом. Електрон заряджений негативно, дірка - відсутність негативного заряду - і, отже, позитивно заряджений. Обидва притягують одне одного і можуть утворити зв’язок.

"Ми насправді хотіли дослідити такі екситони", - повідомляють д-р Анна Кауч і д-р Петра Пудлайнер, перші автори статті. "Ми розробили комп'ютерне моделювання для розрахунку квантово-фізичних ефектів у твердих тілах". Але незабаром Анна Кауч, Петра Пудлайнер та їх колега Катаріна Астлітнер зрозуміли, що в своїх розрахунках вони натрапили на щось зовсім інше - на абсолютно новий тип квазічастинок. Він складається з двох електронів і двох дірок, які з’єднуються із зовнішнім світом за допомогою фотонів.

Команда дала цьому раніше невідомому об'єкту ім'я pi-ton. " Назва pi-ton походить від того, що два електрони і дві дірки утримуються разом за допомогою коливань щільності заряду або коливань спіну, які завжди змінюють свій характер на 180 градусів від одна точка решітки кристала до наступної - тобто кутом пі, виміряним у радіанах, - пояснює Анна Каух. - Цю постійну зміну від плюса до мінуса, можливо, можна уявити як зміну від чорного до білого на шаховій дошці, "говорить Петра Пудлейнер. Пі-тона створюється спонтанно, поглинаючи фотон. Коли він зникає, фотон знову випромінюється.

Частинка, що вийшла з комп’ютера

Наразі пі-тонну було виявлено та перевірено за допомогою комп'ютерного моделювання. Для дослідницької групи немає сумнівів щодо існування пі-тони: "Зараз ми досліджували феномен пі-тони за допомогою різних моделей - вона з’являється знову і знову. Тому вона, безумовно, повинна бути виявлена в різноманітність різних матеріалів. ", - переконана Карстен Хельд. "Деякі експериментальні дані, отримані з матеріалом титанат самарію, вже, здається, вказують на пітону. Додаткові експерименти з фотонами та нейтронами незабаром повинні надати ясність".

Незважаючи на те, що ми постійно оточені незліченними квазічастинками, відкриття нового виду квазічастинок є чимось особливим. Окрім екситону, зараз існує також пі-тона. У будь-якому випадку, це сприяє кращому розумінню зв'язку між світлом і твердими речовинами - тема, яка відіграє важливу роль не лише у фундаментальних дослідженнях, але й у багатьох технічних додатках - від напівпровідникових технологій до фотоелектричних.