- Cercetătorii descoperă o cvasiparticulă necunoscută anterior în simulările pe calculator.
- Denumită pi-ton, aceasta conține 2 electroni și 2 găuri.
- Câteva experimente efectuate pe materialul de titanat de samariu oferă dovezi puternice ale existenței pi-tonului.
Există mai multe tipuri de particule, de exemplu, particule elementare care sunt clasificate în funcție de spinul lor și particule compozite, cum ar fi hadronii, atomii și moleculele.
Și apoi, există cvasiparticule care există în diverse sisteme de particule. Cuasiparticulele sunt fenomene emergente care apar atunci când solidele sau alte sisteme complicate din punct de vedere microscopic se comportă ca și cum ar conține diferite particule care interacționează slab în spațiul liber.
Să ne imaginăm mai mulți atomi ordonați într-un anumit mod într-un cristal, iar fiecare atom este format dintr-un electron în mișcare. La un moment dat, un electron dintr-un singur atom lipsește. Acesta este cunoscut sub numele de gaură, cea mai simplă cvasiparticulă.
Atunci când un electron se deplasează de la cel mai apropiat atom, gaura inițială se închide și se deschide o nouă gaură. În loc să urmărim acești electroni care se deplasează la întâmplare, este mai simplu să investigăm mișcarea găurii.
Dacă electronii se deplasează spre stânga, gaura se deplasează spre dreapta, urmând anumite legi fizice. Dar, spre deosebire de electroni, existența găurilor depinde de alte particule (cum ar fi electronii).
În acest studiu, cercetătorii de la TU Wien (Universitatea de Tehnologie din Viena) s-au concentrat asupra cvasiparticulelor. Aceștia au explicat de ce este dificil să se descrie separat particulele și cvasiparticulele.
O particulă obișnuită poate fi descrisă cu exactitate doar în raport cu mediul înconjurător. Excitația particulei-gaură are loc instantaneu, chiar și în vid. Fără astfel de excitații, masa electronului, de exemplu, ar fi altceva. Prin urmare, în aproape toate experimentele (inclusiv cele efectuate cu electroni normali), ceea ce observăm de fapt este un electron cvasiparticular.
În fizica semiconductorilor, există mai multe cvasiparticule complexe. Una dintre acestea este o cvasiparticulă neutră din punct de vedere electric numită exciton. Este o stare legată a unui electron și a unui electron-gaură care sunt atrași unul de celălalt prin forța electrostatică Coulomb.
Cuasiparticule necunoscute până acum
Pentru a studia acești excitoni, echipa de cercetare a creat simulări pe calculator și a măsurat efectele fizice cuantice în solide. Curând au aflat că au descoperit ceva neașteptat în măsurătorile lor – un nou tip de cvasiparticulă.
Această nouă cvasiparticulă conține 2 electroni și 2 găuri, care sunt ținute împreună prin fluctuații de spin sau de densitate. Deoarece aceste fluctuații își inversează caracterul cu 180 de grade (cu un unghi de π, dacă este descris în radiani) de la un punct de rețea al cristalului la altul, noua cvasiparticulă este denumită pi-ton.
Referință: Phys. Rev. Lett. | DOI:10.1103/PhysRevLett.124.047401 | TU Wien
Pi-tonul se formează spontan prin absorbția unui foton și, imediat ce dispare, fotonul este emis din nou .
Doi electroni și două găuri formate de cuante de lumină, ilustrate pe un fundal asemănător unei table de șah | Prin amabilitatea cercetătorilor
Deși pi-tonul a fost observat și verificat doar în simulări pe calculator, echipa de cercetători crede că acesta există în natură. Aceștia au explorat acest fenomen folosind diferite modele, toate sugerând că pi-tonul poate fi detectat în diferite materiale.
Câteva experimente efectuate pe materialul titanat de samariu oferă dovezi puternice ale existenței pi-tonului. Cu toate acestea, sunt necesare mai multe experimente cu neutroni și fotoni pentru a-i confirma existența.
Citește și: “Nanoparticule magice” cu o compoziție chimică neobișnuită
Descoperirea pi-tonului i-ar ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine cuplajul dintre lumină și solide, un fenomen care joacă un rol crucial în diverse aplicații tehnice, de la energia fotovoltaică la tehnologia semiconductorilor.
