Квазичастица

Физики нашли новую частицу с необычными свойствами

08 февраля 2020 | 09:00

В физике существуют очень разные типы частиц: элементарные частицы являются фундаментальными строительными блоками материи. Другие частицы, такие как атомы состоят из нескольких меньших компонентов. Кроме того, существуют так называемые «квазичастицы» — возбуждения в системе, состоящей из множества частиц, которые во многих отношениях ведут себя так же, как и сама частица.

Подобная квазичастица была обнаружена в компьютерном моделировании в TU Wien (Вена). Она представлена в журнале Physical Review Letters.

Новая частица получила название pi-ton (пи-тон). Она состоит из двух электронов и двух дырок. В статье также описывается, как пи-тон может быть обнаружен экспериментально.

«Самая простая квазичастица — это дыра», — объясняет профессор Карстен Хелд из Института физики твердого тела в Университете Туена. «Давайте представим, например, что многие атомы расположены в кристалле по регулярной схеме и что в каждом атоме есть движущийся электрон. Только в одном конкретном атоме электрон отсутствует — это называется дырой». Теперь электрон может двигаться вверх от соседнего атома. Начальное отверстие закрыто, новое отверстие открывается.

Вместо описания движения постоянно движущихся электронов легче изучить движение дыры. Если электроны движутся вправо, дыра движется влево — и это движение следует определенным физическим правилам, подобно движению обычной частицы. Однако, в отличие от электрона, который также можно наблюдать вне кристалла, дыра существует только в сочетании с другими частицами. В этом случае мы говорим о «квазичастице».

«Однако разделительная линия между частицами и квазичастицами не так ясна, как можно представить», — говорит Карстен Хелд. Строго говоря, даже обычные частицы могут быть поняты только в контексте их среды. Даже в вакууме возбуждения частиц-дырок происходят постоянно, хотя и в течение очень короткого времени. Без них масса электрона, например, была бы совершенно другой. В этом смысле даже в экспериментах с обычными электронами мы видим действительно квазичастичный электрон".

Но есть и более сложные квазичастицы: например, экситон, который играет важную роль в физике полупроводников. Это связанное состояние, состоящее из электрона и дыры, которая создается светом. Электрон заряжен отрицательно, дыра — это отсутствие отрицательного заряда — и, следовательно, положительно заряженный. Оба привлекают друг друга и могут образовывать связь.

«Мы действительно хотели исследовать такие экситоны. Мы разработали компьютерное моделирование для расчета квантовых физических эффектов в твердых телах», — сообщают д-р Анна Кауч и д-р Петра Пудлейнер, первые авторы статьи.

Однако вскоре Анна Кауч, Петра Пудлейнер и их коллега Катарина Астлейтнер поняли, что столкнулись с чем-то совершенно иным в своих вычислениях — совершенно новым типом квазичастиц. Он состоит из двух электронов и двух дырок, которые соединяются с внешним миром с помощью фотонов.

Фото: Vienna University of Technology

Команда дала этому ранее неизвестному объекту имя пи-тон. Название происходит от того факта, что два электрона и две дырки удерживаются вместе флуктуациями плотности заряда или спиновыми колебаниями, которые всегда изменяют свой характер на 180 градусов от одной точки решетки кристалла к другой, т. е. под углом к пи, измеренному в радианах, объясняет Анна Кауч.

«Это постоянное изменение с плюса на минус, возможно, можно представить себе как изменение с черного на белый на шахматной доске», — говорит Петра Пудлейнер. Пи-тон создается спонтанно поглощая фотон. Когда он исчезает, фотон испускается снова.

До настоящего времени пи-тон был обнаружен и проверен с помощью компьютерного моделирования. Исследовательская группа не сомневается в существовании пи-тона.

«Сейчас мы исследовали феномен пи-тона, используя различные модели — он обнаруживается снова и снова. Поэтому он определенно должен обнаруживаться в разнообразие материалов. Некоторые экспериментальные данные, полученные с материальным титанатом самария, уже указывают на пи-тон. Дополнительные эксперименты с фотонами и нейтронами скоро должны прояснить ситуацию», — убеждена Карстен Хельд.

Несмотря на то, что мы постоянно окружены бесчисленными квазичастицами, открытие нового вида квазичастиц является чем-то особенным. Помимо экситона, теперь есть и пи-тон. В любом случае, это способствует лучшему пониманию связи между светом и твердым телом — тема, которая играет важную роль не только в фундаментальных исследованиях, но и во многих технических приложениях — от полупроводниковой технологии до фотоэлектрической.

Как сообщал Realist, польские и чешские астрофизики выяснили причину гамма-всплесков. Этот загадочный космический феномен обладает механизмом, появление которого до настоящего момента никто объяснить не мог.