В физике существует множество вещей, которые попадают под определение «частица». Элементарные частицы, являющиеся фундаментальными блоками, из которых состоит вся материя, атомы и другие конгломераты, состоящие из связанных друг с другом меньших частиц, и, наконец, так называемые квазичастицы — сложные неоднородные системы, находящиеся, как правило, в возбужденном энергетическом состоянии, поведение которых можно характеризовать, как поведение отдельной частицы. Не так давно исследователи из Венского технологического университета (TU Wien), проводя сложное компьютерное моделирование, обнаружили новую квазичастицу, которая получила название π-тон (Pi-ton). Эта квазичастица состоит из связанных двух электронов и двух электронных дырок и сейчас ученые работают над обнаружением π-тона экспериментальным путем.
Два электрона и две дырки, созданные световыми квантами
© Vienna University of Technology
Самой простой квазичастицей является электронная дырка. Что это такое? Представьте себе упорядоченную кристаллическую решетку, в которой атомы связаны с соседними атомами при помощи электронов, а теперь представьте, что в одном месте решетки электрон отсутствует, и это место называют электронной дырой. Электронная дыра способна перемещаться, захватывая электрон у соседнего атома и возникая уже в другом месте. Эта квазичастица играет огромную роль в нашей повседневной жизни, ведь она является носителем положительного электрического заряда в полупроводниках p-типа, которые присутствуют в структуре каждого транзистора, находящегося на кристалле полупроводниковых чипов, используемых во всех электронных устройствах.
Существуют и более сложные квазичастицы, к примеру, экситоны. Экситон состоит из связанных электрона и электронной дырки, а возникают они при поглощении полупроводниковым материалом фотона света с определенными характеристиками. В состав экситона входит положительная и отрицательная частицы, таким образом, сам экситон электрически нейтрален, и это его свойство широко используется в электронике, в технологиях преобразования энергии света в электричество и т.п.
Именно исследованиями, связанными с экситонами, и занимались австрийские физики, проводя эксперименты с математическим моделированием. Через некоторое время в результатах моделирования начали проявляться некоторые странности и ученые поняли, что они столкнулись с квазичастицами совершенно нового типа. Характеристики этих квазичастиц указали на то, что они состоят из двух электронов и электронных дыр, они, как и экситоны, возникают при поглощении материалом фотона света и излучают фотон света, когда распадаются.
Изучение новых квазичастиц показало, что электроны и дырки в них связаны более сложным образом — колебаниями плотности распределения общего электрического заряда. При этом, на каждом цикле колебания области распределения отрицательных и положительных зарядов внутри квазичастицы поворачиваются на 180 градусов, на число π, если этот угол представить в радианах. Именно от этого новой квазичастице и было дано название π-тон.
Как уже упоминалось выше, новая квазичастица изначально было обнаружена в недрах компьютерной математической модели. После этого австрийские ученые повторили свои эксперименты с помощью других математических моделей и во всех полученных результатах были обнаружены следы π-тонов. Сейчас же ученые уже начали экспериментировать с различными реальными материалами, а самым перспективным в этой точки зрения является титанат самария, некоторые эффекты в среде которого указывают на присутствие там π-тонов. И дополнительные эксперименты с фотонами и нейтронами должны в скором времени внести полную ясность в данный вопрос.
Несмотря на то, что мир физики уже буквально полон квазичастицами различных типов, открытие нового типа является выдающимся событием. Теперь, помимо экситона, в данном семействе квазичастиц находится и π-тон. Это, в свою очередь, должно раздвинуть границы нашего понимания взаимодействия материи со светом, аспекта, играющего ключевую роль в некоторых практических областях, включая электронику, фотонику, технологии сбора солнечной энергии и многое другое.
Статья опубликована в журнале Physical Review Letters
Источник: dailytechinfo.org
