Материю ввели в новое состояние

Американские физики открыли еще одно агрегатное состояние материи. Оно образуется при сверхнизких температурах. Порождают же его загадочные квазичастицы — экситоны, состоящие из электрона и положительно заряженной дырки. Новое состояние назвали когерентным экситонным газом. Изучение его свойств поможет ученым создать микроэлектронные транзисторы.

Обычный человек, если его спросить, сколько бывает агрегатных состояний вещества, без затруднений назовет три: твердое, жидкое и газообразное. Такой ответ вполне закономерен — каждый имеет дело в быту именно с этими тремя состояниями воды (все видят пар кипящего чайника, лед в морозилке и жидкую воду, льющуюся из крана). Те же, кто еще не забыл школьные уроки физики, скажет, что есть и четвертое состояние вещества — плазма. Которое, кстати, мы тоже наблюдаем в быту — это любое пламя, а также фон в плазменных панелях.

Однако мало кто назовет такие агрегатные состояния, как конденсаты Бозе-Эйнштейна и фермионный, сверхкритический флюид и разные варианты вырожденной материи. А все потому, что эти агрегатные состояния невозможно наблюдать в обычной жизни. Ну, скажите, где можно увидеть газ, состоящий из частиц бозонов, к тому же охлажденный до температуры абсолютного нуля (это и есть конденсат Бозе-Эйнштейна)? И вряд ли кто-нибудь использует для приготовления пищи газ, состоящий из куперовских электронных пар, то есть сочетаний электронов с противоположными импульсами и спинами (это уже фермионный конденсат).

Также никому из нас не под силу поднять одновременно температуру и давление газа до критической точки, чтобы получить агрегатное состояние — сверхкритический флюид, в котором вещество одновременно обладает свойствами как газа, так и жидкости. Нет у простых смертных и возможности создать настолько мощную гравитацию, чтобы обычную материю превратить в вырожденную (например, все элементарные частицы при этом превратятся в нейтроны) — на это способны лишь "умирающие" коллапсирующие звезды.

Итак, как видите, на самом деле агрегатных состояний вещества куда больше, нежели четыре. И вот недавно к этой "семейке" добавилось еще одно — когерентный экситонный газ. Его открыла группа физиков под руководством профессора Леонида Бутова из Калифорнийского университета Сан-Диего (США). Ученые обнаружили это состояние, изучая процесс образования так называемых экситонных капель.

Читайте также: Сверхпроводимость есть! Энергии хватит всем

Напомню, что экситоном называют квазичастицу (образование из нескольких частиц, ведущих себя как единое целое), состоящую из электрона и… дырки. Ну что за "зверь" электрон — это понятно, а дыркой в данном случае физики называют место в электронной оболочке, где электрон отсутствует (такое часто наблюдается в полупроводниках, чьей структурой является кристаллическая решетка). Причем это дырка ведет себя вовсе не как пустое место, а как положительно заряженная квазичастица.

Образуются дырки следующим образом: если по каким-то причинам электрон вдруг уйдет из атома, то последний приобретает положительный заряд, а тот уровень, откуда ушел электрон, остается либо пустым (если он там был один), либо неполным. Как правило, такие дырки долго не живут — положительный ион может притягивать электрон обратно, и он снова занимает ту самую дырку. Однако, иногда случается, что между дыркой и покинувшим ее электроном появляется некое взаимодействие. Вот тогда-то и образуется вышеупомянутый экситон.

Чаще всего это происходит при достаточно низких температурах. Причем взаимное притяжение, удерживающее электрон и дырку вместе, придает экситону свойства, отличающиеся от свойств электрона и дырки поотдельности. Тоесть образуется некая частица, которая не является ни электроном, ни дыркой.

 

 

 

 

Но вернемся к эксперименту американских ученых. Еще в 2002 году Леонид Бутов предположил, что охлажденные почти до абсолютного нуля экситоны имеют тенденцию к самоорганизации. Они как бы выстраиваются в ряд, образуя структуру, напоминающую бусы из микроскопических капель. Это было подтверждено серией опытов, однако тогда охлаждение не было достаточным — эти самые "бусы" существовали весьма недолго.

Недавние же опыты протекали следующим образом: сначала были созданы экситоны. Их получили благодаря воздействию лазера на образцы арсенида галлия (эта соль широко используется в транзисторах обычных сотовых телефонов). В результате получились четкие пары из отрицательно заряженного электрона, который лазер выбивал со своей орбиты, и положительной дырки — то есть экситона. Далее исследователи охладили образцы до температур ниже, чем один градус Кельвина (который равен, как мы помним, -272,15 градусам по Цельсию).

Как отмечают исследователи в своей работе, особенно сложным было добиться, чтобы экситоны существовали хоть какое-то время — ведь электрон постоянно стремится занять дырку и, тем самым, разрушить квазичастицу. Для того, чтобы это предотвратить, группе Бутова пришлось использовать наночастицы, создающие так называемые "квантовые ямы" (благодаря которым все скопище экситонов временно переходит из трехмерного в двумерное, то есть плоское состояние). Таким образом "бусы" просуществовали около 50 наносекунд — а за это время экситоны успевали охладиться.

В итоге электроны и дырки все-таки сливались и при этом испускали свет. Его-то и удавалось зафиксировать при помощи сложной системы зеркал — интерферометра. Более того, интерферометр позволял разделить этот пучок света на два пространственных компонента, характеристики которых исследователи и изучали.

Ну, и каков же результат сих сложных манипуляций? На самом деле, весьма обнадеживающий. Все вышло, как и в 2002 году, — хорошенько "замерзнув", экситоны образовали "бусы". Они просуществовали достаточное время, и ученые смогли измерить их когерентность (то есть согласованное протекание нескольких волновых процессов) и спины (момент импульса элементарных частиц). В результате выяснилось, что колебания всех экситонов, составляющих капли, действительно согласованы. То есть они ведут себя как единое целое, а значит, когерентный экситонный газ действительно можно считать особым агрегатным состоянием материи.

"Увидеть такие структуры было сюрпризом. А еще большим сюрпризом стали измерения поляризации, показавшие, что между когерентностью и поляризацией существует сильная корреляция" — так прокомментировал результаты работы ведущий исследователь доктор Алекс Хай. А Леонид Бутов добавил, что хоть и физика экситонов — сама по себе интересная дисциплина, тем не менее, изучение свойств этих квазичастиц имеет и практическую направленность. Ведь сейчас идут разработки экситонных транзисторов, размер которых будет равен атому или даже еще меньше. Такие устройства смогли бы стать основой микроэлектроники будущего.

Читайте также: Мы будем общаться, как герои "Звездных войн"

Однако все это пока что лишь в перспективе, а сейчас же стало ясно, что при охлаждении экситоны могут давать новое агрегатное состояние материи. Ученые намерены куда более детально изучить когерентный экситонный газ и посмотреть, какими еще свойствами он обладает. Вдруг там имеется что-то очень полезное для повседневной жизни…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"

Не забывайте присоединяться к Pravda.Ru во ВКонтакте, Telegram, Одноклассниках, Google+, Facebook, Twitter. Установи "Правду.Ру" на главную страницу "Яндекса". Мы рады новым друзьям!

Комментарии
Ющенко предложил вернуть Донбасс извращенным путем
Заявление Гелентнера: можно ли отрицать высадку американцев на Луну — Иван МОИСЕЕВ
Среднюю зарплату россиян посчитали в Росстате
Как КПРФ пытается избежать участия в избирательном цикле 2017 года
Россияне поверили в будущее экономики РФ — Сергей РЯБУХИН
Среднюю зарплату россиян посчитали в Росстате
Заявление Гелентнера: можно ли отрицать высадку американцев на Луну — Иван МОИСЕЕВ
Украина полностью избавилась от памятников Ленину
Опасность диктатуры корпораций существует — Илья БЕЛОУС
ЕС создает треугольник Тегеран — Киев — Минск
Игорь КОРОТЧЕНКО: сотрудничество с НАТО придает режиму Порошенко наглости
Как КПРФ пытается избежать участия в избирательном цикле 2017 года
Как КПРФ пытается избежать участия в избирательном цикле 2017 года
Украина поглумилась над смертью Веры Глаголевой в "Миротворце"
Кремль подтвердил: Путин посетит Севастополь
Украина полностью избавилась от памятников Ленину
Ждет ли Россию новая миграционная волна, предсказанная Stratfor — Игорь МОРОЗОВ
Ждет ли Россию новая миграционная волна, предсказанная Stratfor — Игорь МОРОЗОВ
"Свидетели Иеговы" окончательно запрещены в России
Таксист зарезал москвича за поездку без денег
Анатолий ВАССЕРМАН: "Уберут Трампа — и в США начнутся чудовищные потрясения"