Экситоны и их значение в физике

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В последние годы в самых разных областях физики проявляется интерес к так называемым экстремальным состояниям вещества. Экстремальные — это некие крайние, предельные ситуации: сверхнизкие и сверхвысокие температуры, плотности, энергии и так далее. Такие состояния могут существовать в природе,— например, в пульсарах и «черных дырах», но их можно вызвать и искусственно, скажем, сжимая дейтериевую мишень лазерными лучами, как это делается в установках для лазерного термоядерного синтеза. С необычным экстремальным состоянием вещества — металлическим водородом — связаны сегодня большие надежды на решение проблемы высокотемпературной сверхпроводимости.

Известно, что при атмосферном давлении и обычных температурах водород — молекулярный газ. Однако при температурах около 20°К он может превратиться в молекулярную жидкость, а при 14°К — в твердое вещество. В таком состоянии он является диэлектриком, однако при высоких давлениях порядка трех миллионов атмосфер не исключено существование более стабильной фазы — атомарного металлического водорода, который, как полагают, может оказаться сверхпроводником. В этом направлении ведется много теоретических исследований. Ставятся и эксперименты, которые, к сожалению, очень сложны и дороги,— требуется чрезвычайно сильно сжимать вещество, одновременно удерживая его при температуре, близкой к абсолютному нулю. Но есть надежда обойти эти трудности и с помощью сравнительно недорогих модельных экспериментов решить вопрос о том, возможна ли сверхпроводимость в металлической фазе водорода. Такой моделью могут послужить экситоны.

Что же такое экситон? Это система, в некотором отношении подобная атому водорода. Осветите кристаллическую решетку твердого тела — и квант света может столкнуться с одним из электронов. Если электрон от удара вылетает вообще за пределы данного атома, происходит обычная ионизация. Но он может ударить его так, что электрон останется как бы в поле зрения этого атома и поэтому вынужден «помнить» о том месте, откуда он вылетел. А там осталась «дырка», которая имеет положительный заряд, и поэтому между нею и электроном возникает кулоновское взаимодействие, которое, словно резиночка, не дает электрону далеко улететь. Вот из-за того, что существует такое взаимодействие, образуется связанная водородоподобная система, где роль ядра играет дырка. Такая система и называется экситоном.

Причем может быть так: выбитый со своего места электрон столкнулся со следующим электроном и возбудил его, теперь следующий атом стал возбужденным и так далее. Получается, что возбуждение может двигаться по кристаллу подобно тому, как движется частица. Отсюда и само слово «экситон», которое можно условно перевести как «возбуждон», — его придумал Я. И. Френкель, теоретически предсказавший возможность существования таких квазичастиц.

Когда экситонов в кристалле немного, с очень хорошим приближением их можно рассматривать как газ, состоящий из водородоподобных атомов, но только находящийся не в вакууме, а в кристаллической среде. И так же, как атомы водорода при достаточно большой плотности и низкой температуре могут конденсироваться в жидкость, экситоны в подобных условиях тоже способны переходить в состояние, во многом похожее на жидкость. Вот этот переход и позволяет моделировать всевозможные экстремальные ситуации, в которых находится вещество. Как способ моделирования поведения вещества в таких ситуациях экситоны представляют собой наиболее эффективный, интересный и недорогостоящий объект. Поэтому ученые и занимаются исследованием экситонного конденсата.

Одно из наиболее заманчивых явлений, которое можно предполагать в системе экситонов высокой плотности,— так называемая бозе-эйнштейновская конденсация: ожидается, что при некоторых низких температурах и начиная с некоторой плотности экситоны могут конденсироваться в состояние с нулевыми скоростями. Такая экситонная жидкость, по идее, не должна обладать никакой вязкостью, то есть во всех отношениях это явление подобно сверхтекучести гелия при низких температурах. Еще одно из предполагаемых явлений в экситонном конденсате — это сверхпроводимость.

Мы провели лишь первые опыты, но они дают надежду, что исследования экситонного конденсата принесут много интересного и полезного.

Автор: В. Тимофеев, доктор физико-математических наук.

P. S. Хотим заметить, что многие другие интересные статьи по физике, и многим другим наукам можно также найти на сайте «СтудИзба», где собраны лучшие лекции для студентов по всем ключевым научным дисциплинам.