Jeżeli dowolną siatkę rozłożymy na płaskiej powierzchni, a drugą przymocujemy do odkształconego obiektu, to w wyniku interferencji linii równoległych powstanie coś, co nazywamy prążkami moiré. Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) właśnie coś takiego zrobili, tyle, że wykorzystując sieci diselenku wolframu (WSe2) i disiarczku wolframu (WS2). Udało się opracować nowy materiał złożony z ekscytonów.
Czytaj też: Takich kryształów jeszcze nikt nie widział. Mimo tego naukowcy wiedzą, jak je wykorzystać
Richen Xiong, doktorant z UCSB mówi:
Odkryliśmy nowy stan materii – bozonowy izolator skorelowany. Jest to pierwszy raz, kiedy taki materiał został stworzony w “prawdziwym” systemie materii.
Nowy stan materii – na czym polega?
Zgodnie z modelem standardowym, każda cząstka jest bozonem lub fermionem, w zależności od posiadanego spinu. Fermiony – jak elektrony – leżą u podstaw materii, którą znamy, ponieważ są stabilne i oddziałują poprzez siłę elektrostatyczną. Są one “cegiełkami” znanej nam materii. Tymczasem bozony, czyli nośniki oddziaływań – jak fotony – są zwykle trudniejsze do manipulowania, ponieważ albo są ulotne, albo nie wchodzą ze sobą w interakcje.
Czytaj też: Twardszy niż diament, elastyczny jak guma. Naukowcy odkryli nową formę węgla
Różnice między fermionami i bozonami dobrze wyjaśnia mechanika kwantowa. Fermiony mają spiny niecałkowite, np. 1/2, 3/2, podczas gdy bozony mają spiny całkowite (1, 2, itd.). Ta zmienność rzutuje na ich odmienne właściwości fizyczne. Ekscyton to stan, w którym ujemnie naładowany elektron (fermion) jest związany z dodatnio naładowaną przeciwną “dziurą” (innym fermionem), przy czym dwa spiny niecałkowite dają spin całkowity, tworząc bozon.
Fizycy ułożyli warstwy dwóch sieci i oświetlili je silnym światłem, wykorzystując tzw. spektroskopię z sondą pompową (ang. pump-probe spectroscopy). Połączenie cząstek z każdej z sieci (elektronów z disiarczku wolframu i dziur z diselenku wolframu) oraz światła stworzyło sprzyjające środowisko do powstawania ekscytonów i interakcji między nimi, jednocześnie umożliwiając naukowcom badanie zachowań tych cząstek. Kiedy ekscytony osiągnęły pewną gęstość, nie mogły już się poruszać, co zmusiło je do przejścia w stan krystaliczny i stworzyło efekt izolacyjny.
Richen Xiong dodaje:
Odkryliśmy korelację, która doprowadziła bozony do wysoce uporządkowanego stanu. Ogólnie rzecz biorąc, luźny zbiór bozonów w ultrazimnych temperaturach utworzy kondensat, ale w tym systemie, zarówno przy świetle, jak i zwiększonej gęstości oraz interakcji w stosunkowo wyższych temperaturach, zorganizowały się one w symetryczny izolator stały i neutralny pod względem ładunku.
Stworzenie tego egzotycznego stanu materii potwierdza, że prążki moiré i spektroskopia z sondą pompową mogą stać się ważną składową badań nad materiałami bozonowymi.
Richen Xiong podsumowuje:
Istnieje wiele faz ciał z fermionami, które skutkują takimi rzeczami jak nadprzewodnictwo. Istnieją również wielociałowe odpowiedniki z bozonami, które również są fazami egzotycznymi. Stworzyliśmy więc platformę do kolejnych badań.
Chociaż ekscytony są dobrze znane, do czasu tego projektu nie było sposobu, aby nakłonić je do silnej interakcji między sobą. Szczegóły badań opublikowano w Science.