Znajdź zawartość

Zdaniem chemików-teoretyków z University of Chicago, powinno być możliwe stworzenie materiałów, które jednocześnie przesyłają prąd elektryczny oraz energię ekscytonów i czynią to bez strat w dość wysokich temperaturach. Naukowcy obliczyli, ze takie materiały powinny istnieć w pojedynczym stanie kwantowym, jednak będą wykazywały właściwości dwóch różnych kondensatów – jednego złożonego z ekscytonów i drugiego z par fermionów. Kondensaty Bosego-Einsteina uzyskuje się w wyniku schładzania gazów tak bardzo, że długość fal materii de Broglie'a poszczególnych cząstek jest porównywalna z odległościami pomiędzy nimi. W ten sposób całość ma ten sam podstawowy stan kwantowy. Kondensat musi składać się z bozonów, gdyż mają one spin całkowity i mogą jednocześnie przybierać ten sam stan kwantowy. Możliwe jest też stworzenie kondensatów Bosego-Einsteina z par fermionów o spinie połówkowym, gdyż taka para ma spin całkowity, jest więc bozonem. W nadprzewodnikach pary elektronów (fermionów), zwane parami Coopera, tworzą stan nadciekły, dzięki czemu prąd może przemieszczać się nie napotykając oporu. pary Coopera mają niską energię wiązania, co oznacza, że wiązania są łatwo rozrywane przez energię termiczną. Po przekroczeniu pewnej temperatury granicznej pary ulegają rozerwaniu i materiał z nadprzewodnika staje się przewodnikiem. Jednym ze sposobów na podniesienie temperatury granicznej kondensatu jest uzyskanie go z ekscytonów (bozonów), czyli par elektron-dziura. Ekscytony, w przeciwieństwie do par Coopera, nie niosą ze sobą ładunku elektrycznego. Są silniej ze sobą powiązane, co oznacza, że stworzony z nich kondensat może istnieć w wyższych temperaturach niż nadprzewodnik. Problem jednak w tym, że cząstki i dziury bardzo szybko ulegają anihilacji, więc kondensaty z ekscytonów są bardzo trudne do uzyskania. Kondensaty ekscytonów można uzyskiwać umieszczając elektrony w pułapce optycznej lub wykorzystując bliźniacze warstwy materiału, takiego jak półprzewodniki czy grafen, do utrzymania elektronów i dziur z dala od siebie. Kondensaty ekscytonowe mogą też współistnieć z kondensatami stworzonymi z par fermionów. W takim systemie umożliwiają one istnienie par Coopera w wyższych temperaturach. Autorzy najnowszych badań, LeeAnn Sager, Shiva Safaei i David Mazziotti z University of Chicago przypominają, że właściwości obu typów kondensatów wchodzących w skład takiego systemu, pozostają różne. Uczeni postanowili sprawdzić, czy jest teoretycznie możliwe stworzenie materiału, który jednocześnie wykazuje właściwości obu kondensatów. Taki materiał mógłby jednocześnie przewodzić elektryczność i energię wzbudzenia ze 100-procentową wydajnością. Naukowcy wykorzystali model komputerowy do symulowania zachowania systemu składającego się z czterech fermionów. Z modelu wynika, że taki materiał rzeczywiście wykazywałby właściwości obu kondensatów. Uczeni nie mieli dostępu do wystarczających mocy obliczeniowych, by przeskalować swój system. Obliczyli więc, co by się stało, gdyby splątano kwantowe funkcje falowe nadprzewodnika i ekscytonowego kondensatu zawierającego dużą liczbę cząstek. Jak mówi Mazziotti, z obliczeń wynika, że istnieje dość duża rodzina funkcji falowych, łączących te właściwości. Nic nie stoi na przeszkodzie, by właściwości te wykazywały w świecie makro. Jak czytamy na łamach Physical Review B, ten pojedynczy stan kwantowy, który nazwali kondensatem fermionowo-ekscytonowym, łączy właściwości obu kondensatów w „wysoce nietrywialny sposób”. Teraz grupa Mazziottiego współpracuje z praktykami nad stworzeniem w laboratorium opisanego teoretycznie materiału. Na razie najbardziej oczywistym kandydatem do jego stworzenia wydaje się para nadprzewodzących warstw, chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze, jakiego nadprzewodnika użyją. Uczeni nie mają jednak złudzeń, co do zadania, jakie przed sobą postawili. Jednym z problemów, z którymi będą musieli się zmierzyć, jest zarządzanie różnymi energiami wiązań par Coopera i ekscytonów. Trudno będzie zbliżyć obie warstwy do siebie tak, by pojawiło się wiązanie, a jednocześnie, by były one od siebie na tyle daleko, by nie doszło do tunelowania elektronów pomiędzy warstwami. Jeśli jednak uda się tego dokonać, możemy zyskać niezwykły materiał. Może on np. posłużyć do stworzenia urządzeń do obrazowania medycznego, w których nie będzie dochodziło do utraty światła, zatem zyskamy niezwykle dużą rozdzielczość obrazu. « powrót do artykułu

Fizyka zna różne typy cząstek. Mamy więc cząstki elementarne, które stanową podstawowy budulec tego, co nas otacza. Są też takie cząstki jak np. atomy, składające się w wielu mniejszych elementów. Są wreszcie i kwazicząstki, czyli wzbudzenia systemów składających się z wielu elementów, które zachowują się jak cząstki. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu odkryli właśnie π-ton, kwazicząstkę składającą się z dwóch elektronów, dwóch dziur i światła. Najprostszą kwazicząstką jest dziura. Wyobraźmy sobie, że wiele atomów jest ułożonych w regularny wzór w krysztale i w każdym atomie jest poruszający się elektron. Tylko w jednym atomie brakuje elektronu. To właśnie jest dziura, wyjaśnia profesor Karsten Held z Instytutu Fizyki Ciała Stałego. W miejsce brakującego elektronu może przejść elektron z sąsiadującego atomu. Wówczas dziura zostanie zamknięta, ale pojawi się inne, w atomie, z którego przywędrował elektron. Naukowcom łatwiej jest w takich przypadkach badać nie ruch elektronów, a dziur. Jeśli elektrony poruszają się w prawo, dziura porusza się w lewo. Jej ruch podlega prawom fizyki, podobnie jak ruch cząstek. Jednak, w przeciwieństwie do elektronu, który można obserwować również poza naszym kryształem, dziura istnieje jedynie w odniesieniu do innych cząstek. Dlatego też mówimy tutaj o kwazicząstce. Jednak, jak dodaje Karsten Held, granica pomiędzy cząstkami a kwazicząstkami nie jest ostra. Zwykłe cząstki też mogą być rozumiane jedynie w kontekście ich otoczenia. Nawet w próżni bez przerwy dochodzi, na bardzo krótki czas, do wzbudzeń par cząstka-dziura. Bez tego masa elektronu byłaby zupełnie inne. Innymi słowy, nawet gdy eksperymentujemy ze zwykłymi elektronami, tak naprawdę obserwujemy elektron będący kwazicząstką. Jeszcze inną kwazicząstką jest ekscyton, który odgrywa ważną rolę w fizyce półprzewodników. Składa się ona z elektronu, który ma ładunek ujemny, oraz z dziury, będącej nieobecnością ładunku ujemnego, ma ona zatem ładunek dodatni. Badaliśmy takie właśnie ekscytony. Stworzyliśmy model komputerowy do obliczeń kwantowych efektów fizycznych, jakie wywierają one w ciałach stałych, mówią główne autorki badań doktor Anna Kauch i doktor Petra Pudleiner. Ich obliczenia wskazały na istnienie nowej kwazicząstki, która składa się z dwóch elektronów i dwóch dziur połączonych za pomocą fotonów. Odkrywcy nazwali nową cząstkę π-tonem. Nazwa π-ton wzięła się stąd, że dwa elektrony i dwie dziury są utrzymywane razem przez fluktuacje spinu, które zawsze zmieniają się o 180 stopni pomiędzy jednym punkcie w sieci krystalicznej, a drugim. Zatem zmieniają się o π radianów. Tę ciągłą zmianę możemy wyobrazić sobie jak przechodzenie na szachownicy z pól ciemnych na jasne, mówią odkrywczynie π-tonu. Na razie π-ton został potwierdzony i zweryfikowany za pomocą komputera. Zbadaliśmy π-ton za pomocą różnych modeli komputerowych. Pojawiał się on w każdym z nich. Powinno być zatem możliwe jego wykrycie w różnych materiałach. Niektóre eksperymenty przeprowadzone z tytanianem samaru wydają się wskazywać na istnienie π-tonu. Dodatkowe badania z wykorzystaniem fotonów i neutronów powinny dać nam jaśniejszy obraz sytuacji, dodaje Karsten Held. O nowej kwazicząstce możemy przeczytać na łamach Physical Review Letters. « powrót do artykułu