Excitonium heeft een team van onderzoekers aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign... nou... opgewonden! Hoogleraar natuurkunde Peter Abbamonte en afgestudeerde studenten Anshul Kogar en Mindy Rak, met input van collega's in Illinois, Universiteit van Californië, Berkeley, en Universiteit van Amsterdam, hebben het bestaan ​​van deze raadselachtige nieuwe vorm van materie bewezen, die wetenschappers verbijsterd heeft sinds het bijna 50 jaar geleden voor het eerst werd getheoretiseerd.

Het team bestudeerde niet-gedoteerde kristallen van het vaak geanalyseerde overgangsmetaal dichalcogenide titanium diselenide (1T-TiSe ₂ ) en reproduceerden hun verrassende resultaten vijf keer op verschillende gespleten kristallen. UvA-hoogleraar natuurkunde Jasper van Wezel gaf een cruciale theoretische interpretatie van de experimentele resultaten.

Dus wat is excitonium precies?

Excitonium is een condensaat - het vertoont macroscopische kwantumverschijnselen, als een supergeleider, of supervloeibaar, of isolerend elektronisch kristal. Het bestaat uit excitonen, deeltjes die worden gevormd in een zeer vreemde kwantummechanische koppeling, namelijk dat van een ontsnapt elektron en het gat dat het achterliet.

Het tart de rede, maar het blijkt dat wanneer een elektron, gezeten aan de rand van een vol met elektronen valentieband in een halfgeleider, raakt opgewonden en springt over de energiekloof naar de anders lege geleidingsband, het laat een "gat" achter in de valentieband. Dat gat gedraagt ​​zich alsof het een deeltje is met een positieve lading, en het trekt het ontsnapte elektron aan. Wanneer het ontsnapte elektron met zijn negatieve lading, past bij het gat, de twee vormen opmerkelijk genoeg een samengesteld deeltje, een boson - een exciton.

In feite, de deeltjesachtige eigenschappen van het gat zijn toe te schrijven aan het collectieve gedrag van de omringende elektronenmassa. Maar dat begrip maakt de koppeling niet minder vreemd en wonderbaarlijk.

Waarom heeft het 50 jaar geduurd voordat excitonium in echte materialen werd ontdekt?

Tot nu, wetenschappers hadden niet de experimentele instrumenten om positief te onderscheiden of wat leek op excitonium, in feite geen Peierls-fase was. Hoewel het niets met de vorming van excitonen te maken heeft, Peierls-fasen en excitoncondensatie delen dezelfde symmetrie en soortgelijke waarneembaarheden:een superrooster en de opening van een energiekloof van één deeltje.

Abbamonte en zijn team waren in staat om die uitdaging te overwinnen door gebruik te maken van een nieuwe techniek die ze ontwikkelden, genaamd momentum-resolved electron energy-loss spectroscopie (M-EELS). M-EELS is gevoeliger voor valentiebandexcitaties dan inelastische röntgen- of neutronenverstrooiingstechnieken. Kogar past een EEL-spectrometer aan, die op zichzelf alleen de baan van een elektron kon meten, geven hoeveel energie en momentum het verloor, met een goniometer, waarmee het team heel nauwkeurig het momentum van een elektron in de echte ruimte kan meten.

Met hun nieuwe techniek, de groep was in staat om voor het eerst collectieve excitaties van de laagenergetische bosonische deeltjes te meten, de gepaarde elektronen en gaten, ongeacht hun momentum. Specifieker, het team bereikte de allereerste waarneming in enig materiaal van de voorloper van excitoncondensatie, een zachte plasmonfase die ontstond toen het materiaal de kritische temperatuur van 190 Kelvin naderde. Deze zachte plasmonfase is het "rokende geweer"-bewijs van excitoncondensatie in een driedimensionale vaste stof en het allereerste definitieve bewijs voor de ontdekking van excitonium.

"Dit resultaat is van kosmische betekenis, "Bevestigt Abbamonte. "Sinds de term 'excitonium' in de jaren zestig werd bedacht door de theoretisch fysicus Bert Halperin van Harvard, natuurkundigen hebben geprobeerd het bestaan ​​ervan aan te tonen. Theoretici hebben gedebatteerd of het een isolator zou zijn, een perfecte dirigent, of een superfluïde - met aan alle kanten enkele overtuigende argumenten. Sinds de jaren zeventig, veel experimentatoren hebben bewijs gepubliceerd voor het bestaan ​​van excitonium, maar hun bevindingen waren geen definitief bewijs en hadden evengoed kunnen worden verklaard door een conventionele structurele faseovergang."

Rak herinnert zich het moment, werkzaam in het laboratorium van Abbamonte, toen ze voor het eerst de omvang van deze bevindingen begreep:"Ik herinner me dat Anshul erg enthousiast was over de resultaten van onze eerste metingen op TiSe ₂ . We stonden bij een whiteboard in het lab toen hij me uitlegde dat we zojuist iets hadden gemeten dat nog niemand eerder had gezien:een zacht plasmon."

"De opwinding die deze ontdekking met zich meebracht, bleef ons gedurende het hele project bij, " vervolgt ze. "Het werk dat we deden op TiSe ₂ liet me de unieke belofte zien die onze M-EELS-techniek inhoudt voor het verbeteren van onze kennis van de fysieke eigenschappen van materialen en heeft mijn voortdurende onderzoek naar TiSe gemotiveerd ₂ ."

Kogar geeft toe, het ontdekken van excitonium was niet de oorspronkelijke motivatie voor het onderzoek - het team was van plan om hun nieuwe M-EELS-methode te testen op een kristal dat gemakkelijk verkrijgbaar was - gekweekt in Illinois door voormalig afgestudeerde student Young Il Joe, nu van NIST. Maar hij benadrukt, niet toevallig, excitonium was een grote belangstelling:

"Deze ontdekking was toevallig. Maar Peter en ik hadden ongeveer 5 of 6 jaar geleden een gesprek gehad over precies dit onderwerp van de zachte elektronische modus, hoewel in een andere context, de Wigner-kristalinstabiliteit. Dus hoewel we niet meteen begrepen waarom het gebeurde in TiSe ₂ , we wisten wel dat het een belangrijk resultaat was - en een resultaat dat al een paar jaar in onze gedachten zat te brouwen."

De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in de 8 december, 2017 nummer van het tijdschrift Wetenschap in het artikel, "Handtekeningen van excitoncondensatie in een overgangsmetaal dichalcogenide."

Dit fundamentele onderzoek is veelbelovend voor het ontsluiten van verdere kwantummechanische mysteries:de studie van macroscopische kwantumverschijnselen heeft ons begrip van kwantummechanica gevormd. Het zou ook licht kunnen werpen op de overgang van metaal naar isolator in vaste stoffen, waarin excitoncondensatie een rol zou spelen. Verder dan dat, mogelijke technologische toepassingen van excitonium zijn puur speculatief.