Обнаружена экзотическая материя: физики наткнулись на материал, состоящий из бозонов

Калифорнийский университет – Санта-Барбара, 11 июня 2023 г.

Ученые открыли новое состояние материи, получившее название «бозонный коррелированный изолятор», посредством взаимодействия бозонных частиц, называемых экситонами. Это исследование может проложить путь к новому пониманию физики конденсированного состояния и созданию новых бозонных материалов.

Исследователи открыли новое состояние материи, которое они называют «бозонно-коррелированным изолятором», — кристаллическую совокупность бозонных частиц, в частности экситонов.

Возьмите решетку — плоский участок сетки из однородных ячеек, как оконная сетка или соты, — и положите над ней еще одну аналогичную решетку. Но вместо того, чтобы пытаться выровнять края или ячейки обеих решеток, поверните верхнюю сетку так, чтобы сквозь нее можно было видеть части нижней. Этот новый, третий узор представляет собой муар, и именно между этим типом перекрывающегося расположения решеток диселенида вольфрама и дисульфида вольфрама физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили некоторые интересные свойства материала.

«Мы открыли новое состояние материи — бозонно-коррелированный изолятор», — сказал Ричен Сюн, аспирант из группы физика конденсированного состояния UCSB Чэньхао Цзинь и ведущий автор статьи в журнале Science. По словам Сюн, Джина и сотрудников из UCSB, Университета штата Аризона и Национального института материаловедения в Японии, впервые такой материал был создан в «реальной» (в отличие от синтетической) системе материи. Уникальный материал представляет собой высокоупорядоченный кристалл бозонных частиц, называемых экситонами.

«Обычно люди тратят большую часть своих усилий на то, чтобы понять, что происходит, когда вы объединяете множество фермионов», — сказал Джин. «Основная идея нашей работы заключается в том, что мы, по сути, создали новый материал из взаимодействующих бозонов».

Два сложенных друг на друга и один слегка смещенный создают новый узор, называемый муаром. Кредит: Мэтт Перко

Субатомные частицы делятся на два основных типа: фермионы и бозоны. «Одно из самых больших различий заключается в их поведении», — сказал Джин.

«Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень; фермионы не любят оставаться вместе», — сказал он. «Вместе такое поведение создает вселенную такой, какой мы ее знаем».

Фермионы, такие как электроны, лежат в основе материи, с которой мы наиболее знакомы, поскольку они стабильны и взаимодействуют посредством электростатических сил. Между тем, бозоны, такие как фотоны (частицы света), как правило, труднее создавать или манипулировать ими, поскольку они либо мимолетны, либо не взаимодействуют друг с другом.

Ключ к их различному поведению кроется в их различных квантово-механических характеристиках, объяснил Сюн. Фермионы имеют полуцелые «спины», такие как 1/2 или 3/2, тогда как бозоны имеют целочисленные спины (1, 2 и т. д.). Экситон — это состояние, в котором отрицательно заряженный электрон (фермион) связан со своей положительно заряженной противоположной «дыркой» (другим фермионом), при этом два полуцелых спина вместе становятся целым числом, создавая бозонную частицу.

Лаборатория Цзинь, слева направо: Тянь Се, Ричен Сюн, Чэньхао Цзинь, Сэмюэл Л. Брантли. КредитСоня Фернандес

Чтобы создать и идентифицировать экситоны в своей системе, исследователи наслаивали две решетки и освещали их сильным светом методом, который они называют «спектроскопией накачки-зонда». Комбинация частиц каждой из решеток (электронов дисульфида вольфрама и дырок диселенида вольфрама) и света создала благоприятную среду для формирования и взаимодействия между экситонами, позволяя исследователям исследовать поведение этих частиц.

«И когда эти экситоны достигли определенной плотности, они больше не могли двигаться», — сказал Джин. Благодаря сильным взаимодействиям коллективное поведение этих частиц при определенной плотности привело их в кристаллическое состояние и создало изолирующий эффект из-за их неподвижности.

«Здесь произошло следующее: мы обнаружили корреляцию, которая привела бозоны в высокоупорядоченное состояние», — добавил Сюн. Обычно рыхлая совокупность бозонов при ультрахолодных температурах образует конденсат, но в этой системе, благодаря свету, повышенной плотности и взаимодействию при относительно более высоких температурах, они организовались в симметричный твердый изолятор с нейтральным зарядом.