in de natuurkunde, er zijn heel verschillende soorten deeltjes:Elementaire deeltjes zijn de fundamentele bouwstenen van materie. andere deeltjes, zoals atomen, zijn gebonden toestanden die uit verschillende kleinere bestanddelen bestaan. En dan zijn er de zogenaamde "quasi-deeltjes" - excitaties in een systeem dat uit veel deeltjes bestaat, die zich in veel opzichten net als een deeltje gedragen.

Zo'n quasideeltje is nu ontdekt in computersimulaties aan de TU Wien (Wenen) en pi-ton genoemd. Het bestaat uit twee elektronen en twee gaten. Het nieuwe deeltje wordt gepresenteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , het artikel beschrijft ook hoe de pi-ton experimenteel kan worden gedetecteerd.

Een gat is bijna een deeltje

"Het eenvoudigste quasi-deeltje is een gat, " legt prof. Karsten Held van het Instituut voor Vaste-stoffysica aan de TU Wien uit. "Stel je voor, bijvoorbeeld, dat veel atomen in een regelmatig patroon in een kristal zijn gerangschikt en dat er bij elk atoom een ​​bewegend elektron is. Alleen bij één bepaald atoom ontbreekt het elektron - dit wordt een gat genoemd." Nu kan een elektron omhoog bewegen vanuit het naburige atoom. Het oorspronkelijke gat is gesloten, er gaat een nieuw gat open.

In plaats van de beweging van constant bewegende elektronen te beschrijven, het is gemakkelijker om de beweging van het gat te bestuderen. Als de elektronen naar rechts bewegen, het gat beweegt naar links - en deze beweging volgt bepaalde fysieke regels, net als de beweging van een gewoon deeltje. Echter, in tegenstelling tot een elektron, die ook buiten het kristal kan worden waargenomen, het gat bestaat alleen in combinatie met de andere deeltjes. In dit geval spreken we van een 'quasi-deeltje'.

"Echter, de scheidslijn tussen deeltjes en quasi-deeltjes is niet zo duidelijk als men zou denken, ", zegt Karsten Held. "Strict genomen, zelfs gewone deeltjes kunnen alleen worden begrepen in de context van hun omgeving. Zelfs in een vacuüm, deeltje-gat-excitaties komen constant voor, zij het voor een zeer korte tijd. Zonder hen, de massa van een elektron zou bijvoorbeeld heel anders zijn. In deze betekenis, zelfs in experimenten met gewone elektronen, wat we zien is in werkelijkheid een quasi-deeltjeselektron."

Meer gecompliceerde obligaties

Maar er zijn ook complexere quasi-deeltjes:het exciton, bijvoorbeeld, die een belangrijke rol speelt in de halfgeleiderfysica. Het is een gebonden toestand bestaande uit een elektron en een gat, die door licht wordt gecreëerd. Het elektron is negatief geladen, het gat is de afwezigheid van een negatieve lading - en dus positief geladen. Beide trekken elkaar aan en kunnen een band vormen.

"We wilden eigenlijk zulke excitonen onderzoeken, " melden Dr. Anna Kauch en Dr. Petra Pudleiner, de eerste auteurs van het artikel. "We hebben computersimulaties ontwikkeld om kwantumfysische effecten in vaste stoffen te berekenen." Maar al snel Anna Kauch, Petra Pudleiner en hun collega Katharina Astleithner realiseerden zich dat ze in hun berekeningen iets totaal anders waren tegengekomen:een compleet nieuw type quasi-deeltje. Het bestaat uit twee elektronen en twee gaten die via fotonen aan de buitenwereld koppelen.

Het team gaf dit voorheen onbekende object de naam pi-ton." "De naam pi-ton komt van het feit dat de twee elektronen en twee gaten bij elkaar worden gehouden door fluctuaties in de ladingsdichtheid of spin-fluctuaties die hun karakter altijd 180 graden omkeren van het ene roosterpunt van het kristal naar het volgende, dat wil zeggen:met een hoek van pi, gemeten in radialen, " legt Anna Kauch uit. "Deze constante verandering van plus naar min kan je misschien voorstellen als een verandering van zwart naar wit op een schaakbord, " zegt Petra Pudleiner. De pi-ton ontstaat spontaan door een foton te absorberen. Als het verdwijnt, er wordt weer een foton uitgezonden.

Het deeltje dat uit de computer kwam

Tot dusver, de pi-ton is ontdekt en geverifieerd door computersimulaties. Voor het onderzoeksteam er bestaat geen twijfel over het bestaan ​​van de pi-ton:"We hebben nu het fenomeen van de pi-ton onderzocht met behulp van verschillende modellen - het duikt steeds weer op. Daarom het moet zeker detecteerbaar zijn in een verscheidenheid aan verschillende materialen. ", Karsten Held is overtuigd. "Sommige experimentele gegevens die zijn verkregen met het materiaal samariumtitanaat lijken al in de richting van de pi-ton te wijzen. Aanvullende experimenten met fotonen en neutronen moeten binnenkort duidelijkheid bieden."

Ook al worden we constant omringd door talloze quasideeltjes, de ontdekking van een nieuwe quasideeltjessoort is iets heel bijzonders. Naast het exciton, daar is nu ook de pi-ton. In elk geval, dit draagt ​​bij aan een beter begrip van de koppeling tussen licht en vaste stoffen, een onderwerp dat niet alleen een belangrijke rol speelt in fundamenteel onderzoek, maar ook in veel technische toepassingen, van halfgeleidertechnologie tot fotovoltaïsche energie.