Экситоны и их значение в физике

экситоны

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *