Знайомтеся - Пі-тон, нова квазичастица, виявлена вченими за допомогою комп'ютерного моделювання

Feb 18 7:00 2020 Друк цієї статті

Елементарні частинки, які є фундаментальними блоками, з яких складається вся матерія, атоми та інші конгломерати, що складаються з пов'язаних один з одним менших частинок, і, нарешті, так звані квазічастинки - складні неоднорідні системи, що знаходяться, як правило, у збудженому енергетичному стані, поведінку яких можна характеризувати, як поведінка окремої частки. Не так давно дослідники з Віденського технологічного університету (TU Wien), проводячи складне комп'ютерне моделювання, виявили нову квазичастицу, яка отримала назву Пі-тон (Pi-ton). Ця квазичастица складається з пов'язаних двох електронів і двох електронних дірок і зараз вчені працюють над виявленням Пі-тони експериментальним шляхом.

Найпростішою квазичастицей є електронна дірка. Що це таке? Уявіть собі упорядковану кристалічну решітку, в якій атоми зв'язані з сусідніми атомами за допомогою електронів, а тепер уявіть, що в одному місці решітки електрон відсутня, і це місце називають електронної дірою. Електронна діра здатна переміщатися, захоплюючи електрон біля сусіднього атома і виникаючи вже в іншому місці. Ця квазичастица грає величезну роль у нашому повсякденному житті, адже вона є носієм позитивного електричного заряду в напівпровідниках p-типу, які присутні в структурі кожного транзистора, що знаходиться на кристалі напівпровідникових чіпів, використовуваних у всіх електронних пристроях.

Існують і більш складні квазічастинки, приміром, екситони, про які ми розповідали на сторінках нашого сайту досить багато. Экситон складається з пов'язаних електрона і електронного дірки, а виникають вони при поглинанні напівпровідниковим матеріалом фотона світла з певними характеристиками. До складу екситона входить позитивна і негативна частинки, таким чином, сам экситон електрично нейтральний, і ця його властивість широко використовується в електроніці, в технологіях перетворення енергії світла в електрику і т. п.

Саме дослідженнями, пов'язаними з экситонами, і займалися австрійські фізики, проводячи експерименти з математичним моделюванням. Через деякий час в результатах моделювання почали проявлятися деякі дивацтва і вчені зрозуміли, що вони зіткнулися з квазічастинками абсолютно нового типу. Характеристики цих квазічастинок вказали на те, що вони складаються з двох електронів і електронних дірок, вони, як і екситони, виникають при поглинанні матеріалом фотона світла і випромінює фотон світла, коли розпадаються.

Вивчення нових квазічастинок показало, що електрони і дірки в них пов'язані більш складним чином - коливаннями щільності розподілу загального електричного заряду. При цьому, на кожному циклі коливання області розподілу негативних і позитивних зарядів всередині квазічастинки повертаються на 180 градусів, на число Пі, якщо цей кут представити в радіанах. Саме від цього нової квазичастице і було дано назву Пі-тон.

Як вже згадувалося вище, нова квазичастица спочатку було виявлено в надрах комп'ютерної математичної моделі. Після цього австрійські вчені повторили свої експерименти з допомогою інших математичних моделей і у всіх отримані результати були виявлені сліди Пі-тонів. Зараз же вчені вже почали експериментувати з різними реальними матеріалами, а найперспективнішим в цієї точки зору є титанат самарія, деякі ефекти в середовищі якого вказують на присутність там Пі-тонів. І додаткові експерименти з фотонами і нейтронами повинні незабаром внести повну ясність в це питання.

Незважаючи на те, що світ фізики вже буквально повний квазічастинками різних типів, відкриття нового типу є визначною подією. Тепер, крім екситона, в даному сімействі квазічастинок знаходиться і Пі-тон. Це, в свою чергу, повинно розсунути межі нашого розуміння взаємодії матерії зі світлом, аспекти, що грає ключову роль в деяких практичних областях, включаючи електроніку, фотонику, технології збору сонячної енергії та багато іншого.