În fizică, există tipuri foarte diferite de particule: particulele elementare sunt elementele fundamentale ale materiei. Alte particule, cum ar fi atomii, sunt stări legate constând din mai mulți constituenți mai mici. Și apoi există așa-numitele „cvasi-particule” - excitații într-un sistem care constă din multe particule, care în multe feluri se comportă la fel ca o particulă.

descoperit

O astfel de cvasiparticulă a fost descoperită acum în simulări pe computer la TU Wien (Viena) și numită pi-ton. Este format din doi electroni și două găuri. Noua particulă este prezentată în revista „Physical Review Letters”, articolul descrie și modul în care pi-tonul poate fi detectat experimental.

O gaură este aproape o particulă

„Cea mai simplă cvasiparticulă este o gaură”, explică Prof. Karsten Held de la Institute for Solid State Physics de la TU Wien. "Să ne imaginăm, de exemplu, că mulți atomi sunt aranjați într-un model regulat într-un cristal și că există un electron în mișcare la fiecare atom. Doar la un atom anume lipsește electronul - aceasta se numește o gaură". Acum un electron se poate deplasa în sus de atomul vecin. Gaura originală este închisă, se deschide o gaură nouă.

În loc să descrieți mișcarea electronilor în mișcare constantă, este mai ușor să studiați mișcarea găurii. Dacă electronii se deplasează spre dreapta, gaura se deplasează spre stânga - și această mișcare respectă anumite reguli fizice, la fel ca mișcarea unei particule obișnuite. Cu toate acestea, spre deosebire de un electron, care poate fi observat și în afara cristalului, gaura există doar împreună cu celelalte particule. În acest caz vorbim de o „cvasi-particulă”.

„Cu toate acestea, linia de separare dintre particule și cvasi-particule nu este atât de clară pe cât s-ar putea crede”, spune Karsten Held. „În mod strict vorbind, chiar și particulele obișnuite pot fi înțelese numai în contextul mediului lor. Chiar și în vid, excitațiile în gaură de particule apar constant, deși pentru un timp foarte scurt. Fără ele, masa unui electron, de exemplu, ar fi complet diferit. În acest sens, chiar și în experimentele cu electroni obișnuiți, ceea ce vedem este într-adevăr un electron cvasiparticular. "

Legături mai complicate

Dar există și cvasi-particule mai complexe: excitonul, de exemplu, care joacă un rol important în fizica semiconductorilor. Este o stare legată formată dintr-un electron și o gaură, care este creată de lumină. Electronul este încărcat negativ, orificiul este absența unei sarcini negative - și, astfel, este încărcat pozitiv. Ambele se atrag reciproc și pot forma o legătură.

„Am vrut de fapt să investigăm astfel de excitări”, raportează Dr. Anna Kauch și Dr. Petra Pudleiner, primii autori ai lucrării. "Am dezvoltat simulări pe computer pentru a calcula efectele fizice cuantice în solide." Dar în curând Anna Kauch, Petra Pudleiner și colega lor Katharina Astleithner și-au dat seama că au dat peste ceva total diferit în calculele lor - un tip complet nou de cvasi-particule. Este format din doi electroni și două găuri care se cuplează cu lumea exterioară prin intermediul fotonilor.

Echipa a dat acestui obiect necunoscut anterior denumirea de pi-ton. " Denumirea de pi-ton provine din faptul că cei doi electroni și cele două găuri sunt ținute împreună de fluctuațiile densității de încărcare sau de fluctuațiile de rotire care întotdeauna își inversează caracterul cu 180 de grade de la un punct de rețea al cristalului la următorul - adică printr-un unghi de pi, măsurat în radiani ", explică Anna Kauch." Această schimbare constantă de la plus la minus poate fi imaginată ca o schimbare de la negru la alb pe o tablă de șah ", spune Petra Pudleiner. Pi-tonul este creat spontan prin absorbția unui foton. Când dispare, un foton este emis din nou.

Particula care a ieșit din computer

Până în prezent, pi-tonul a fost descoperit și verificat prin simulări pe computer. Pentru echipa de cercetare, nu există nicio îndoială cu privire la existența pi-tonului: „Am investigat acum fenomenul pi-tonului folosind diferite modele - acesta apare din nou și din nou. Prin urmare, ar trebui să fie cu siguranță detectabil într-un varietate de materiale diferite. ", este convinsă Karsten Held. "Unele date experimentale obținute cu titanatul de samariu material par deja să indice pi-tonul. Experimente suplimentare cu fotoni și neutroni ar trebui să ofere în curând claritate".

Chiar dacă suntem înconjurați în mod constant de nenumărate cvasiparticule - descoperirea unei noi specii de cvasiparticule este ceva cu totul special. Pe lângă exciton, există și acum pi-ton. În orice caz, acest lucru contribuie la o mai bună înțelegere a cuplării dintre lumină și solide, un subiect care joacă un rol important nu numai în cercetarea de bază, ci și în multe aplicații tehnice - de la tehnologia semiconductoarelor la fotovoltaică.