Екситони та їх значення у фізиці
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
В останні роки в самих різних областях фізики проявляється інтерес до так званих екстремальних станів речовини. Екстремальні – це такі собі крайні, граничні ситуації: наднизькі і надвисокі температури, густини, енергії і так далі. Такі стани можуть існувати в природі, – наприклад, в пульсарах і «чорних дірах», але їх можна викликати і штучно, скажімо, стискаючи дейтерієву мішень лазерними променями, як це робиться в установках для лазерного термоядерного синтезу. З незвичайним екстремальним станом речовини – металевим воднем – пов’язані сьогодні великі надії на вирішення проблеми високотемпературної надпровідності.
Відомо, що при атмосферному тиску і звичайних температурах водень – молекулярний газ. Однак при температурах близько 20 °К він може перетворитися в молекулярну рідину, а при 14 °К – на тверду речовину. У такому стані він є діелектриком, однак при високому тиску близько трьох мільйонів атмосфер не виключено існування більш стабільної фази – атомарного металевого водню, який, як вважають, може виявитися надпровідником. У цьому напрямку ведеться багато теоретичних досліджень. Ставляться і експерименти, які, на жаль, дуже складні і дорогі, – потрібно надзвичайно сильно стискати речовину, одночасно утримуючи її при температурі, близькій до абсолютного нуля. Але є надія обійти ці труднощі і з допомогою порівняно недорогих модельних експериментів вирішити питання про те, чи можлива надпровідність в металевій фазі водню. Такою моделлю можуть послужити екситони.
Що ж таке екситон? Це система, в деякому відношенні подібна атому водню. Освітіть кристалічну решітку твердого тіла – і квант світла може зіткнутися з одним з електронів. Якщо електрон від удару вилітає взагалі за межі даного атома, відбувається звичайна іонізація. Але він може вдарити його так, що електрон залишиться як би в полі зору цього атома і тому змушений «пам’ятати» про те місце, звідки він вилетів. А там залишилася «дірка», яка має позитивний заряд, і тому між нею і електроном виникає кулонівська взаємодія, яка, немов резинка, не дає електрону далеко полетіти. Ось через те, що існує така взаємодія, утворюється пов’язана воднеподібна система, де роль ядра грає дірка. Така система і називається екситоном.
Причому може бути так: вибитий зі свого місця електрон зіткнувся з наступним електроном і порушив його, тепер наступний атом став збудженим і так далі. Виходить, що порушення може рухатися по кристалу подібно до того, як рухається частинка. Звідси і саме слово «екситон», яке можна умовно перекласти як «збуджон», – його придумав Я. І. Френкель, який теоретично передбачив можливість існування таких квазічастинок.
Коли екситонів в кристалі трохи, з дуже хорошим наближенням їх можна розглядати як газ, що складається з воднеподібних атомів, але тільки такий, що знаходиться не в вакуумі, а в кристалічному середовищі. І так само, як атоми водню при досить великій щільності і низькій температурі можуть конденсуватися в рідину, екситони в подібних умовах теж здатні переходити в стан, багато в чому схожий на рідину. Ось цей перехід і дозволяє моделювати різноманітні екстремальні ситуації, в яких знаходиться речовина. Як спосіб моделювання поведінки речовини в таких ситуаціях екситон є найбільш ефективний, цікавий і недорогий об’єкт. Тому вчені і займаються дослідженням екситоного конденсату.
Одне з найбільш привабливих явищ, яке можна припускати в системі екситонів високої щільності, – так звана бозе-ейнштейнівська конденсація: очікується, що при деяких низьких температурах і починаючи з деякої щільності екситон можуть конденсуватися в стан з нульовими швидкостями. Така екситона рідина, по ідеї, не повинна володіти ніякою в’язкістю, тобто в усіх відношеннях це явище подібно надплинності гелію при низьких температурах. Ще одне з передбачуваних явищ в екситоному конденсаті – це надпровідність.
Ми провели лише перші досліди, але вони дають надію, що дослідження екситоного конденсату принесуть багато цікавого і корисного.
Автор: В. Тимофєєв, доктор фізико-математичних наук.