Физики наткнулись на вещество, состоящее из бозонов

Возьмите сетку — плоскую секцию сетки с обычными ячейками, такой как оконная сетка или соты, — и поместите на нее еще одну аналогичную сетку. Но вместо того, чтобы пытаться выровнять края или ячейки каждой из решеток, поверните верхнюю сетку так, чтобы сквозь нее можно было видеть части нижней сетки. Этот новый третий паттерн — муар, и именно между таким вложенным расположением решеток диселенида вольфрама и дисульфида вольфрама физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили интересное поведение материала.

«Мы открыли новое состояние материи — когерентный бозонный изолятор», — сказал Ричен Сюн, аспирант-исследователь в группе Ченхао Джина, физик конденсированных сред из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ведущий автор статьи в журнале Science. По словам Сюн, Джина и сотрудников из UCSB, Университета штата Аризона и Национального института материаловедения в Японии, впервые такие материалы были созданы в «реальной» (в отличие от синтетической) материальной системе. Уникальное вещество представляет собой высокоупорядоченный кристалл бозонных частиц, называемых экситонами.

«Традиционно люди вкладывали большую часть своих усилий в понимание того, что происходит, когда вы соединяете множество фермионов вместе», — сказал Джин. «Основной движущей силой нашей работы является то, что мы, по сути, создали новый материал из взаимодействующих бозонов».

Два смещенных друг на друга слоя создают новый узор, называемый муаром. Кредит: Мэтт Бирко

бозон. резьбовой. изолятор.

Субатомные частицы бывают двух основных типов: фермионы и бозоны. По словам Джин, одно из самых больших различий заключается в их поведении.

«Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень, фермионы не любят оставаться вместе», — сказал он. Вместе эти модели поведения создают вселенную такой, какой мы ее знаем».

Фермионы, как и электроны, лежат в основе наиболее знакомой нам материи, потому что они стабильны и взаимодействуют посредством электростатической силы. Между тем, бозоны, как и фотоны (частицы света), как правило, труднее создавать или манипулировать ими, потому что они либо преходящи, либо не взаимодействуют друг с другом.

Доказательства их отличительного поведения, объяснил Сюн, заключаются в их различных квантово-механических свойствах. Фермионы имеют полуцелые «спины», такие как 1/2 или 3/2, в то время как бозоны имеют целые спины (1, 2 и т. д.). Экситон — это состояние, в котором отрицательно заряженный электрон (фермион) связан с соответствующей ему положительно заряженной «дыркой» (другим фермионом), вращая половину целого числа вместе, чтобы стать целым числом, что приводит к бозону.

Лаборатория Джина, слева направо: Тянь Ши, Рицинь Сюн, Ченхао Джин, Сэмюэл Л. Брантли. кредит
Соня Фернандес

Чтобы создать и идентифицировать экситоны в своей системе, исследователи наложили две решетки друг на друга и направили на них сильный свет с помощью метода, который они назвали «спектроскопией накачки». Сбор частиц из обеих решеток (электронов из дисульфида вольфрама и дырок из диоксида вольфрама) и света создал среду, способствующую образованию экситонов и взаимодействию между ними, что позволило исследователям исследовать поведение этих частиц.

«И когда эти экситоны достигли определенной плотности, они больше не могли двигаться», — сказал Джин. Благодаря сильным взаимодействиям коллективное поведение этих частиц при определенной плотности вынуждает их переходить в кристаллическое состояние и создает изолирующий эффект благодаря их стабильности.

«Здесь произошло то, что мы обнаружили взаимосвязь, которая привела бозоны в состояние более высокого порядка», — добавил Сюн. В общем, рыхлая совокупность бозонов при очень низких температурах образует конденсатор, но в этом режиме, как при свете, так и при повышенной плотности и взаимодействии при относительно более высоких температурах, они организовались в симметрично заряженный, нейтрально твердый изолятор.

Создание этого экзотического состояния вещества доказывает, что исследовательская платформа для спектроскопии муара и накачки может стать важным средством для создания и исследования бозонных материалов.

«Есть много фаз тела с фермионами, которые приводят к таким вещам, как сверхпроводимость», — сказал Сюн. Есть также много тел, подобных бозонам, которые также являются экзотическими фазами. Так что мы создали платформу, потому что у нас действительно не было хорошего способа изучать бозоны в реальных материалах». друг друга.

По словам Джайна, с помощью их метода можно будет не только изучать хорошо известные бозонные частицы, такие как экситоны, но и открывать больше окон в мир конденсированного состояния с помощью новых бозонных материалов.

«Мы знаем, что некоторые материалы обладают очень странными свойствами, — сказал он. «Одна из целей физики конденсированных сред состоит в том, чтобы понять, почему они обладают такими богатыми свойствами, и найти способы сделать их поведение более достоверным».

Ссылка: «Когерентный изолятор экситонов в WSe₂/ ВС₂ Super Moire» Ричена Сюн, Джейкоба Х. Ни, Сэмюэля Л. Брантли, Патрика Хейса, Рене Сайлос, Кенджи Ватанабэ, Такаши Танигучи, Сватена Тонгаи и Ченхао Джина, 11 мая 2023 г., доступно здесь. наук.
DOI: 10.1126/science.add5574