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Fisici eccitati dalla scoperta di una nuove forma di materia, l’excitonium.


Il professore di fisica Peter Abbamonte e gli studenti universitari Anshul Kogar e Mindy Rak, con il contributo dei colleghi dell’Illinois, dell’Università della California, Berkeley e dell’Università di Amsterdam, hanno dimostrato l’esistenza di questa enigmatica nuova forma di materia, che ha perplesso gli scienziati dal momento che è stato inizialmente teorizzato quasi 50 anni fa.
Il team ha studiato i cristalli non drogati del diseleniuro di titanio (D-TiSe 2 ) del metallo di transizione spesso analizzato e ha riprodotto i loro risultati sorprendenti cinque volte su diversi cristalli clivati. Jasper van Wezel, professore di fisica all’Università di Amsterdam, ha fornito un’interpretazione teorica cruciale dei risultati sperimentali.

Quindi cos’è esattamente l’excitonium?

L’eccitonio è un condensato – esibisce fenomeni quantici macroscopici, come un superconduttore, o superfluido, o cristallo elettronico isolante. È composto da eccitoni, particelle che si formano in uno strano accoppiamento meccanico quantistico, vale a dire quello di un elettrone sfuggito e il buco lasciato indietro.

Sfida la ragione, ma si scopre che quando un elettrone, seduto sul bordo di una banda di valenza affollata di elettroni in un semiconduttore, si eccita e salta oltre il gap energetico verso la banda di conduzione altrimenti vuota, si lascia indietro un ” buco “nella banda di valenza. Quel buco si comporta come se fosse una particella con carica positiva, e attira l’elettrone sfuggito. Quando l’elettrone fuoriuscito con la sua carica negativa, si accoppia con il foro, i due formano notevolmente una particella composita, un bosone – un eccitone.
In realtà, gli attributi particellari del buco sono attribuibili al comportamento collettivo della folla circostante di elettroni. Ma questa comprensione rende l’accoppiamento non meno strano e meraviglioso.

Perché l’eccitonium ha impiegato 50 anni per essere scoperto in materiali reali?

Fino ad ora, gli scienziati non hanno avuto gli strumenti sperimentali per distinguere positivamente se quello che sembrava eccitonico non fosse in realtà una fase di Peierls. Sebbene sia completamente indipendente dalla formazione di eccitoni, le fasi di Peierls e la condensazione di eccitoni condividono la stessa simmetria e gli osservabili simili: un super-lattice e l’apertura di un gap di energia a singola particella.


Abbamonte e il suo team sono stati in grado di superare questa sfida utilizzando una nuova tecnica sviluppata dalla spettroscopia di perdita di energia a elettroni (M-EELS). M-EELS è più sensibile alle eccitazioni della banda di valenza rispetto alle tecniche anelastiche di diffusione di raggi X o di neutroni. Kogar esegue il retrofit di uno spettrometro EEL, che da solo può misurare solo la traiettoria di un elettrone, dando la quantità di energia e quantità di moto perse, con un goniometro, che consente alla squadra di misurare con precisione lo slancio di un elettrone nello spazio reale.

Con la loro nuova tecnica, il gruppo è stato in grado per la prima volta di misurare le eccitazioni collettive delle particelle bosoniche a bassa energia, gli elettroni e i fori associati, indipendentemente dal loro momento. Più specificamente, il team ha ottenuto la prima osservazione in assoluto in qualsiasi materiale del precursore della condensazione di eccitoni, una fase di plasmone morbida che è emersa quando il materiale si è avvicinato alla sua temperatura critica di 190 Kelvin. Questa morbida fase plasmonica è la prova della “fumata” della condensazione di eccitoni in un solido tridimensionale e la prima prova definitiva per la scoperta dell’eccitonium.

“Questo risultato ha un significato cosmico”, afferma Abbamonte. “Da quando il termine ‘excitonium’ è stato coniato negli anni ’60 dal fisico teorico di Harvard Bert Halperin, i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza.I teorici hanno discusso se si tratterebbe di un isolante, un conduttore perfetto o un superfluido – con alcuni argomenti convincenti Da anni ’70, molti sperimentalisti hanno pubblicato prove dell’esistenza dell’eccitonium, ma le loro scoperte non erano una prova definitiva e potevano anche essere spiegate da una transizione di fase strutturale convenzionale. ”

Rak ricorda il momento, lavorando nel laboratorio di Abbamonte, quando ha compreso per la prima volta la portata di questi risultati: “Ricordo che Anshul era molto entusiasta dei risultati delle nostre prime misurazioni su TiSe 2. Stavamo facendo calcoli in una lavagna in laboratorio mentre lui mi spiegò che avevamo appena misurato qualcosa che nessuno aveva mai visto prima: un morbido plasmon “.
“L’entusiasmo generato da questa scoperta è rimasto con noi per l’intero progetto”, continua. “Il lavoro svolto su TiSe 2 mi ha permesso di vedere la promessa unica che la nostra tecnica M-EELS ha per far avanzare la nostra conoscenza delle proprietà fisiche dei materiali e ha motivato la mia continua ricerca su TiSe 2 “.

Kogar ammette che scoprire l’eccitonium non era la motivazione originale per la ricerca – il team aveva deciso di testare il loro nuovo metodo M-EELS su un cristallo che era prontamente disponibile – cresciuto all’Illinois dall’ex studente universitario Young Il Joe, ora del NIST. Ma sottolinea, non a caso, che l’eccitonium era un grande interesse:

“Questa scoperta è stata fortuita, ma io e Peter abbiamo avuto una conversazione circa 5 o 6 anni fa affrontando esattamente questo argomento della modalità elettronica soft, anche se in un contesto diverso, l’instabilità del cristallo di Wigner. perché si stava verificando in TiSe 2 , sapevamo che si trattava di un risultato importante, e quello che si era creato nelle nostre menti per alcuni anni “.

Le scoperte del team sono state pubblicate nell’edizione dell’8 dicembre 2017 della rivista Science nell’articolo “Le firme della condensazione di eccitoni in un dogenogenuro di metalli di transizione”.

Questa ricerca fondamentale è una grande promessa per sbloccare ulteriori misteri della meccanica quantistica: dopo tutto, lo studio dei fenomeni quantici macroscopici è ciò che ha modellato la nostra comprensione della meccanica quantistica. Potrebbe anche fare luce sulla transizione dell’isolatore di metallo nei solidi di banda, in cui si ritiene che la condensazione dell’eccitone abbia un ruolo. Oltre a ciò, le possibili applicazioni tecnologiche dell’eccitonium sono puramente speculative.

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