Физики впервые получили бозе-конденсат экситонов

Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Физики из США, Великобритании и Нидерландов впервые увидели бозе-конденсат экситонов в полуметалле 1T-TiSe2. Для этого они исследовали, как сильно в образце полуметалла поглощаются электроны различных энергий. Статья опубликована в Science.

При достаточно низких температурах жидкость, состоящая из бозонов — частиц, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна, — переходит в особое состояние бозе-конденсата, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Из-за этого квантовые свойства системы начинают проявляться на макроскопических масштабах — например, жидкость становится сверхтекучей.

Однако бозоны, образующие конденсат, могут иметь разную природу, и из-за этого механизмы конденсации для них несколько отличаются. С одной стороны, частицы могут быть «по-настоящему» стабильными бозонами, и тогда мы имеем дело с Бозе-Эйнштейновским конденсатом. Примером такой системы является гелий-4 при низких температурах. С другой стороны, два связанных фермиона (частицы с полуцелым спином) тоже могут образовать бозон, и конденсация таких квазичастиц называется конденсацией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Например, такая конденсация происходит в сверхпроводниках, где в качестве бозонов выступают куперовские пары, или в гелии-3. Про то, какую роль бозе-конденсация играет в сверхпроводимости, можно прочитать в нашем материале.

Экситоны возникают в твердых телах и являются связанными состояниями квазичастиц электрона и дырки, каждая из которых имеет полуцелый спин (прочитать про все эти квазичастицы можно в другом нашем материале). Поэтому экситоны тоже являются бозонами, а значит, должны формировать бозе-конденсат БКШ. При этом масса экситона заметно меньше, чем массы «обычных» частиц, и температура конденсации экситонного газа должна быть относительно большой. Различные теории предсказывали некоторые интересные свойства экситонного конденсата, однако экспериментально его до сих пор не наблюдали. Главное препятствие заключалось в том, что экситонный конденсат очень сложно отличить от пайерлсовских волн зарядовой плотности.

В данной статье группа ученых под руководством Питера Аббамонте (Peter Abbamonte) впервые пронаблюдала образование экситонного конденсата в полуметалле дихалькогениде 1T-TiSe2. Для этого они использовали спектроскопию характеристических потерь энергии электронами (что это такое, можно прочитать здесь). Другими словами, они направляли на образец электроны разных энергий и смотрели, как сильно они в нем поглощаются. Если в образце есть экситонный бозе-конденсат, энергия образования в нем пары «электрон-дырка» будет стремиться к нулю, и это приведет к усиленному поглощению электронов с определенными энергиями. В то же время, если конденсата в нем нет, спектр будет более гладким.


И действительно, в эксперименте ученые наблюдали такие пики поглощения на энергии около 47 миллиэлектронвольт, но только при температурах меньше 185 Кельвинов. При дальнейшем уменьшении температуры этот пик продолжал расти и становился все более выраженным. При большей же температуре этого пика не было, и в целом спектр полуметалла выглядел стандартно: в нем также имелся пик поглощения, но при более высокой энергии около 82 миллиэлектронвольт, отвечающей плазменной частоте и образованию плазмонов.

Таким образом, экспериментально измеренный спектр указывает на конденсацию экситонов при температуре около 190 Кельвинов. Заметим, что обычно бозе-конденсация происходит при гораздо более низких температурах (например, гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние при температуре около двух Кельвинов).

В прошлом месяце мы писали о том, как ученые впервые увидели экситоны в двухслойном графене с помощью фототоковой спектроскопии. А буквально на прошлой неделе физики создали топологический изолятор, в котором электрический ток подавляется из-за образования экситонов.

Интересно, что в июне этого года другая группа ученых уже сообщала о наблюдении сверхтекучести в конденсате экситонных поляритонов. Однако эту статью авторы почему-то у себя не упоминают.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.