Excitonium tem uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign ... bem ... animado! O professor de física Peter Abbamonte e os alunos de pós-graduação Anshul Kogar e Mindy Rak, com contribuições de colegas de Illinois, Universidade da Califórnia, Berkeley, e a Universidade de Amsterdã, provaram a existência desta nova forma enigmática de matéria, que tem deixado os cientistas perplexos desde que foi teorizado pela primeira vez, quase 50 anos atrás.

A equipe estudou cristais não dopados do disseleneto de titânio dichalcogeneto de metal de transição frequentemente analisado (1T-TiSe ₂ ) e reproduziram seus resultados surpreendentes cinco vezes em diferentes cristais clivados. O professor de física da Universidade de Amsterdã, Jasper van Wezel, forneceu uma interpretação teórica crucial dos resultados experimentais.

Então, o que exatamente é excitônio?

Excitônio é um condensado - ele exibe fenômenos quânticos macroscópicos, como um supercondutor, ou superfluido, ou cristal eletrônico isolante. É feito de excitons, partículas que são formadas em um emparelhamento mecânico quântico muito estranho, ou seja, o de um elétron que escapou e o buraco que ele deixou para trás.

Desafia a razão, mas acontece que quando um elétron, assentada na borda de uma banda de valência cheia de elétrons em um semicondutor, fica animado e pula a lacuna de energia para a banda de condução vazia, deixa para trás um "buraco" na banda de valência. Esse buraco se comporta como se fosse uma partícula com carga positiva, e atrai o elétron escapado. Quando o elétron escapou com sua carga negativa, emparelha com o buraco, os dois formam notavelmente uma partícula composta, um bóson - um exciton.

Na verdade, os atributos semelhantes a partículas do buraco são atribuíveis ao comportamento coletivo da multidão de elétrons ao redor. Mas essa compreensão torna o emparelhamento não menos estranho e maravilhoso.

Por que o excitônio levou 50 anos para ser descoberto em materiais reais?

Até agora, os cientistas não tiveram as ferramentas experimentais para distinguir positivamente se o que parecia excitônio não era de fato uma fase de Peierls. Embora não tenha nenhuma relação com a formação de excitons, As fases de Peierls e a condensação de excitons compartilham a mesma simetria e observáveis ​​semelhantes - uma superrede e a abertura de uma lacuna de energia de partícula única.

Abbamonte e sua equipe foram capazes de superar esse desafio usando uma nova técnica que desenvolveram chamada espectroscopia de perda de energia de elétrons resolvida por momentum (M-EELS). O M-EELS é mais sensível às excitações da banda de valência do que o raio-X inelástico ou técnicas de espalhamento de nêutrons. Kogar adaptou um espectrômetro EEL, que por si só poderia medir apenas a trajetória de um elétron, dando quanta energia e impulso perdeu, com um goniômetro, o que permite que a equipe meça com muita precisão o momentum de um elétron no espaço real.

Com sua nova técnica, o grupo foi capaz pela primeira vez de medir excitações coletivas das partículas bosônicas de baixa energia, os elétrons e buracos emparelhados, independentemente de seu ímpeto. Mais especificamente, a equipe alcançou a primeira observação em qualquer material do precursor da condensação de excitons, uma fase soft plasmon que emergiu quando o material se aproximou de sua temperatura crítica de 190 Kelvin. Esta fase soft plasmon é a prova "arma fumegante" da condensação de exciton em um sólido tridimensional e a primeira evidência definitiva para a descoberta de excitonium.

"Este resultado é de significado cósmico, "afirma Abbamonte." Desde que o termo 'excitônio' foi cunhado na década de 1960 pelo físico teórico de Harvard Bert Halperin, físicos têm procurado demonstrar sua existência. Os teóricos têm debatido se seria um isolante, um condutor perfeito, ou um superfluido - com alguns argumentos convincentes de todos os lados. Desde a década de 1970, muitos experimentalistas publicaram evidências da existência de excitônio, mas suas descobertas não eram provas definitivas e poderiam igualmente ter sido explicadas por uma transição de fase estrutural convencional. "

Rak relembra o momento, trabalhando no laboratório Abbamonte, quando ela compreendeu pela primeira vez a magnitude dessas descobertas:"Lembro-me de Anshul estar muito animada com os resultados de nossas primeiras medições no TiSe ₂ . Estávamos diante de um quadro branco no laboratório enquanto ele me explicava que havíamos medido algo que ninguém tinha visto antes:um plasmon macio. "

"A empolgação gerada por esta descoberta permaneceu conosco durante todo o projeto, "ela continua." O trabalho que fizemos no TiSe ₂ permitiu-me ver a promessa única que nossa técnica M-EELS tem para o avanço do nosso conhecimento das propriedades físicas dos materiais e motivou minha pesquisa contínua sobre TiSe ₂ . "

Kogar admite, a descoberta do excitônio não foi a motivação original para a pesquisa - a equipe havia começado a testar seu novo método M-EELS em um cristal que estava prontamente disponível - cultivado em Illinois pelo ex-aluno Young Il Joe, agora do NIST. Mas ele enfatiza, não coincidentemente, excitônio era um grande interesse:

"Esta descoberta foi acidental. Mas Peter e eu tivemos uma conversa há cerca de 5 ou 6 anos abordando exatamente este tópico do modo eletrônico suave, embora em um contexto diferente, a instabilidade do cristal de Wigner. Embora não tenhamos entendido imediatamente por que isso estava ocorrendo no TiSe ₂ , sabíamos que era um resultado importante - e que vinha fermentando em nossas mentes há alguns anos. "

As descobertas da equipe são publicadas em 8 de dezembro, Edição de 2017 da revista Ciência no artigo, "Assinaturas de condensação de exciton em um dichalcogeneto de metal de transição."

Esta pesquisa fundamental é uma grande promessa para desvendar outros mistérios da mecânica quântica:afinal, o estudo dos fenômenos quânticos macroscópicos é o que moldou nossa compreensão da mecânica quântica. Ele também pode lançar luz sobre a transição metal-isolante em sólidos de banda, em que se acredita que a condensação de excitons desempenha um papel. Além disso, as possíveis aplicações tecnológicas do excitônio são puramente especulativas.