Wetenschappers hebben een nieuwe staat van materie ontdekt, een “bosonische coherente isolator” genoemd, door de interactie van bosonische deeltjes die excitonen worden genoemd. Dit onderzoek zou de weg kunnen effenen voor een nieuw begrip van de fysica van de gecondenseerde materie en de creatie van nieuwe bosonische materialen.
Neem een raster – een plat gedeelte van een raster met gewone cellen, zoals een raamscherm of honingraat – en plaats er nog een soortgelijk raster bovenop. Maar in plaats van te proberen de randen of cellen van elk van de roosters uit te lijnen, geeft u het bovenste rooster een draai zodat u delen van het onderste rooster kunt zien. Dit nieuwe derde patroon is moiré, en het is tussen dit soort geneste opstelling van wolfraamdiselenide- en wolfraamdisulfideroosters dat natuurkundigen van UC Santa Barbara interessant materiaalgedrag hebben ontdekt.
“We ontdekten een nieuwe staat van materie – een coherente boson-isolator”, zegt Richen Xiong, een afgestudeerde student-onderzoeker in de groep van Chenhao Jin, een fysicus van de gecondenseerde materie aan de UCLA en hoofdauteur van een paper in het tijdschrift Science. Volgens Xiong, Jin en medewerkers van UCSB, Arizona State University en het National Institute of Materials Science in Japan is dit de eerste keer dat dergelijke materialen zijn gemaakt in een “echt” (in tegenstelling tot synthetisch) materiaalsysteem. De unieke substantie is een zeer geordend kristal van bosondeeltjes, excitonen genaamd.
“Traditioneel hebben mensen de meeste moeite gestoken in het begrijpen van wat er gebeurt als je veel fermionen bij elkaar zet”, zei Jin. “De belangrijkste drijfveer van ons werk is dat we in wezen een nieuw materiaal hebben gemaakt van op elkaar inwerkende bosonen.”
Twee enigszins verschoven gestapelde vormen een nieuw patroon dat moiré wordt genoemd. Credits: Matt Bierko
bosonisch. schroefdraad. isolator.
Subatomaire deeltjes zijn er in twee brede typen: fermionen en bosonen. Een van de grootste verschillen zit in hun gedrag, zei Jin.
“Bosonen kunnen hetzelfde energieniveau innemen; fermionen houden er niet van om bij elkaar te blijven,” zei hij. Samen vormen deze gedragingen het universum zoals wij dat kennen.”
Fermionen liggen, net als elektronen, ten grondslag aan de materie waarmee we het meest vertrouwd zijn, omdat ze stabiel zijn en op elkaar inwerken door de elektrostatische kracht. Ondertussen zijn bosonen, net als fotonen (lichtdeeltjes), moeilijker te creëren of te manipuleren omdat ze van voorbijgaande aard zijn of geen interactie met elkaar hebben.
Het bewijs voor hun onderscheidende gedrag, legde Xiong uit, ligt in hun verschillende kwantummechanische eigenschappen. Fermionen hebben “spins” van een half geheel getal, zoals 1/2 of 3/2, terwijl bosonen spins van een geheel getal hebben (1, 2, enz.). Een exciton is een toestand waarin een negatief geladen elektron (een fermion) gebonden is aan het overeenkomstige positief geladen “gat” (een ander fermion), waarbij een half geheel getal samen ronddraait om een geheel getal te worden, resulterend in een boson.
Jin’s lab, van links naar rechts: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. credit
Sonia Fernández
Om de excitonen in hun systeem te creëren en te identificeren, legden de onderzoekers de twee roosters op elkaar en schenen er sterke lichten op met een methode die ze ‘pompspectroscopie’ noemen. De verzameling deeltjes van beide roosters (elektronen van wolfraamdisulfide en gaten van wolfraamdioxide) en licht creëerde een omgeving die bevorderlijk was voor de vorming en interacties tussen excitonen, terwijl onderzoekers het gedrag van deze deeltjes konden onderzoeken.
“En toen deze excitonen een bepaalde dichtheid bereikten, konden ze niet langer bewegen”, zei Jin. Dankzij de sterke interacties dwong het collectieve gedrag van deze deeltjes bij een bepaalde dichtheid hen tot een kristallijne toestand en creëerde een isolerend effect vanwege hun stabiliteit.
“Wat hier gebeurde, is dat we de relatie ontdekten die de bosonen naar een hogere orde toestand bracht”, voegde Xiong eraan toe. Over het algemeen zou een losse verzameling bosonen onder zeer koude temperaturen een condensor vormen, maar in dit regime, met zowel licht als verhoogde dichtheid en interactie bij relatief hogere temperaturen, organiseerden ze zichzelf tot een symmetrisch geladen, neutraal vaste isolator.
De creatie van deze vreemde staat van materie bewijst dat het golvende platform en de pompspectroscopie van de onderzoekers een belangrijk middel kunnen worden voor het creëren en onderzoeken van bosonische materie.
“Er zijn veel lichaamsfasen met fermionen die leiden tot zaken als supergeleiding,” zei Xiong. Er zijn ook veel lichamen vergelijkbaar met bosonen die ook exotische fasen zijn. Dus wat we deden was een platform creëren, omdat we echt geen goede manier hadden om bosonen in echte materialen te bestuderen. elkaar.
Door hun methode is het volgens Jin mogelijk niet alleen om bekende bosonische deeltjes zoals excitonen te bestuderen, maar ook om meer vensters te openen naar de wereld van gecondenseerde materie met nieuwe bosonische materialen.
“We weten dat sommige materialen zeer vreemde eigenschappen hebben,” zei hij. “Een van de doelen van de fysica van de gecondenseerde materie is om te begrijpen waarom het zulke rijke eigenschappen heeft en om manieren te vinden om dit gedrag betrouwbaarder te laten lijken.”
Referentie: “Coherente isolator van excitonen in WSe2/ WS2 Super Moiry” door Richen Xiong, Jacob H.Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai en Chenhao Jin 11 mei 2023, hier beschikbaar. Wetenschappen.
DOI: 10.1126/science.add5574
“Amateur-organisator. Wannabe-bierevangelist. Algemene webfan. Gecertificeerde internetninja. Fanatieke lezer.”
More Stories
SpaceX heeft een Falcon 9-raket gelanceerd tijdens zijn recordbrekende 20e missie
Wetenschappers ontdekken een ‘verrassing’ die hun begrip van het universum verandert
Het vinden van de meest veelbelovende tekenen van leven op een andere planeet, met dank aan James Webb