Excitonen zijn paren van elektronen en gaten in een vast materiaal die zich samen gedragen als een enkel deeltje. Het is lang vermoed dat wanneer veel van dergelijke excitonen in hetzelfde stuk materie voorkomen, ze kunnen een enkele gigantische kwantumtoestand vormen, een Bose-Einstein-condensaat genaamd - hetzelfde proces dat ervoor zorgt dat een metaal al zijn elektrische weerstand verliest wanneer het een supergeleider wordt, bijvoorbeeld. Echter, het feitelijk bewijzen dat Bose-Einstein-condensatie van excitonen voorkomt in echt materiaal, is al tientallen jaren een uitdaging voor natuurkundigen. Een experiment gedaan aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, uitgevoerd in samenwerking met UvA-Instituut voor Natuurkunde onderzoeker Jasper van Wezel, heeft bewijs gevonden dat deze ongrijpbare toestand van materie echt bestaat. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap deze week.

In het begin van de 20e eeuw, natuurkundigen ontdekten dat de wereld om ons heen uit twee soorten deeltjes bestaat:bosonen en fermionen. Het belangrijkste verschil tussen deze deeltjes is hoe ze zich gedragen wanneer men ze in dezelfde fysieke staat probeert te brengen, met dezelfde positie, dezelfde snelheid, enzovoort. Terwijl het voor twee fermionen (zoals elektronen) fundamenteel onmogelijk is om ooit in exact dezelfde staat te verkeren, twee of meer bosonen (zoals fotonen, lichtdeeltjes) kunnen zonder problemen tegelijkertijd in dezelfde staat verkeren. In feite, bij voldoende lage temperaturen, verzamelingen bosonen geven de voorkeur aan zo'n situatie:de deeltjes hebben de neiging om allemaal dezelfde toestand in te nemen, in een proces dat bekend staat als Bose-Einstein-condensatie.

Excitaties

Voor de meeste soorten bosonen, Bose-Einstein condensatie vindt plaats bij zeer lage temperaturen, in de buurt van het absolute minimum van 273 graden onder nul op de schaal van Celsius. Een uitzondering op deze regel zou het gedrag van excitonen in een kristal kunnen zijn. Excitonen zijn combinaties van negatief geladen elektronen en zogenaamde gaten - de afwezigheid van een elektron ergens in het kristal, wat leidt tot een lokaal overschot aan positieve lading. Paren van elektronen en gaten kunnen aan elkaar worden gebonden en zich gedragen als een enkel bosonisch deeltje, het exciton.

In de jaren zestig werd voorspeld dat, net als andere bosonen, excitonen kunnen Bose-Einstein condensaten vormen. Bovendien, dit zou bij veel hogere temperaturen moeten gebeuren dan bij de meeste andere deeltjes - in theorie zou het zelfs bij kamertemperatuur kunnen gebeuren. Omdat hogere temperaturen veel gemakkelijker te bereiken zijn in een laboratoriumomgeving, excitonen kunnen een toegankelijke omgeving bieden waarin zowel de ongebruikelijke kwantumeigenschappen van de Bose-Einstein-condensaten zelf, evenals de unieke materiaaleigenschappen die ze aan hun gastheerkristallen verlenen, kan worden onderzocht.

M-EELS

Ondanks de relatief hoge temperatuur waarbij het in de Wetenschap artikel optreedt (slechts 100 graden Celsius of zo onder kamertemperatuur), en ondanks dat de aanwezigheid van excitonen al vele jaren werd vermoed, zonder twijfel bewijzen dat excitonen echt een Bose-Einstein-condensaat vormen, bleek verrassend moeilijk. De belangrijkste reden is dat er een ander natuurkundig fenomeen is dat moeilijk te onderscheiden is van een Bose-Einstein-condensaat van excitonen:de vorming van een zogenaamde Peierls-toestand, waar elektronen in een kristalstructuur spontaan op een golfachtige manier organiseren, met afwisselende pieken en dalen van elektronendichtheid. Zo'n golf heeft veel van dezelfde fysieke kenmerken die worden verwacht voor een Bose-Einstein-condensaat van excitonen.

Een nieuw experiment uitgevoerd aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Oxford, en de Universiteit van Amsterdam, heeft nu aangetoond dat de nieuw ontwikkelde experimentele techniek van Momentum-resolved Electron Energy-loss Spectroscopie (kortweg M-EELS) hen in staat stelt om unieke kenmerken van gecondenseerde excitonen te onderscheiden in een materiaal dat titaniumdiselenide wordt genoemd. Deze techniek is ontwikkeld aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en stelt onderzoekers voor het eerst in staat om laagenergetische bosonische deeltjes te meten die zijn gemaakt van elektronen en gaten, ongeacht hun momentum. Met deze unieke mogelijkheid, de onderzoekers konden bewijzen dat excitonen in titaniumdiselenide spontaan agglomereren tot een Bose-Einstein-condensaat wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot minder dan 100 graden Celsius onder kamertemperatuur.

Deze metingen geven voor het eerst overtuigend bewijs voor het feit dat excitonen een Bose-Einstein-condensaat kunnen vormen bij relatief hoge, gemakkelijk toegankelijke temperaturen. Bovendien, ze laten zien dat M-EELS een krachtige en veelzijdige nieuwe techniek is met veel potentiële toekomstige toepassingen. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap deze week.