@ 2017.12.20 , 09:00

物理学家发现了一种全新的物质形式

伊利诺伊大学的物理学家们对外宣布了一个令人兴奋的消息:他们找到了一种全新的物质形态——激子态(excitonium)。

这种物质形式是由一种玻色子构成,这些复合型的粒子可以使物质成为超流体、超导体、甚至是绝缘的电子晶体。

物理学家发现了一种全新的物质形式
Credit 伊利诺斯大学的物理学家Peter Abbamonte

在相关的理论预言过去了50年之后,物理学教授Peter Abbamonte与来自伊利诺伊大学、加州大学伯克利分校和阿姆斯特丹大学的同事一起,共同证明了这种奇怪而神秘的物质真的存在。

他们在Science杂志上兴奋地分享了发现之旅。

被称为激子的粒子,由一个逃逸的电子和它留下的空腔构成。

这种古怪的配对东西在量子力学中是可能的,因为在半导体中,原子中一个能级边缘上的电子能够在被激发时跳入下一个能级,在前一级留下一个“空穴”。

这个孔就像一个带正电的粒子,吸引着逃逸的负电荷的电子。

为了证明激子的存在,该小组研究了掺杂二硫族化合物二硒化钛(1T-TiSe2)(一种过渡金属)的晶体。他们甚至能够以五种独立的方式来重现他们的结果。

到目前为止,科学家们还没有找到能直接检测出激子或其他类似的物质的实验工具。

在我们的实验里,使用了一种新颖的技术叫做动量解析电子能量损失谱(m-eels),让科学家首次能够明确地测量低能态的波色子——即配对电子和空穴的集体激发行为,而不用管它们的动量是多少。

换句话说,这是有史以来第一次观察到软质等离子,它是激子凝聚的前兆。

“这个结果具有宇宙意义,”Abbamonte在接受采访中表示。“自从20世纪60年代哈佛大学理论物理学家Bert Halperin创造‘excitonium’这个术语以来,物理学家们就试图证明它的存在,理论学家们一直在争论,它到底是一种绝缘体,一种完美的超导体,还是一种超流体——在所有方面都有令人信服的论据。二十世纪七十年代以来,许多实验物理学家已经找到了大量暗示激子存在的证据,但是他们的发现都不能算作是确凿的证据,而且存在着通过传统的结构相变的解释空间。”

现在已经证实激子态确实存在,并且能从实验中被具体地观察到,其性质将有进一步的探索和开放应用。

最显而易见的是,作为一种超导体和超流体,这种材料可以用于改进现有的技术。

此外,新出现的量子现象的可以指引我们探索更深层的量子理论,所以这项研究可以反过来启发我们解决当前的理论难题。

但是,这些应用,特别是在实际技术中产生的应用,纯粹是推测性的。现在还不可能准确地预测这些物质形态将来会如何,但是我们确实知道它为我们提供了更多的选择余地和无限的可能。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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