Fizicienii distrug imitatorii de particule

Fizicienii de toate categoriile par să aibă un lucru în comun: le place să zdrobească lucrurile împreună. Această tradiție veche a fost extinsă acum de la particule familiare, cum ar fi electronii, protonii și nucleele atomice, la cvasiparticule, care acționează ca niște particule, dar nu sunt.

Cvasiparticulele sunt formate din grupuri de particule dintr-un material solid care se comportă colectiv ca o particulă unificată (SN: 18/10/14, str. 22). Primul ciocnitor de cvasiparticule, descris pe 11 mai în Natură, le permite oamenilor de știință să cerceteze comportamentul particulelor false. Este un instrument care ar putea conduce cercetătorii către materiale îmbunătățite pentru celule solare și aplicații electronice.

„Coliziunea particulelor este într-adevăr ceva care ne-a învățat atât de multe”, spune fizicianul Peter Hommelhoff de la Universitatea din Erlangen-Nürnberg din Germania, care nu a fost implicat în cercetare. Ciocnirea cvasiparticulelor „este foarte interesantă și este cu adevărat nouă și destul de fantastică”.

Este o provocare să controlezi aceste particule false trecătoare. „Au o viață foarte scurtă și nu le poți scoate din habitatul lor natural,” spune fizicianul Rupert Huber de la Universitatea din Regensburg din Germania, un coautor al studiului. Dar cvasiparticulele sunt o modalitate utilă pentru fizicieni de a înțelege modul în care un număr mare de particule interacționează într-un solid.

O cvasiparticulă, cunoscută sub numele de gaură, rezultă dintr-un electron lipsă care produce un gol într-o mare de electroni. Gaura se mișcă în jurul materialului, comportându-se ca o particulă încărcată pozitiv. Mișcarea sa aparentă este rezultatul multor electroni care se împinge.

Noul ciocnitor de cvasiparticule funcționează prin lovirea găurilor în electroni. Folosind un puls scurt de lumină, cercetătorii au creat perechi de electroni și găuri într-un material numit diselenură de wolfram. Apoi, folosind un impuls de lumină infraroșu pentru a produce un câmp electric oscilant, cercetătorii au rupt electronii și găurile și le-au trântit din nou împreună la viteze de mii de kilometri pe secundă – toate în aproximativ 10 milioane de miliarde de secundă.

Smashup-ul și-a lăsat amprenta în lumina emisă ulterior, pe care cercetătorii au analizat-o pentru a studia proprietățile coliziunii. De exemplu, atunci când găurile se unesc cu electronii, aceștia se pot lega într-o stare asemănătoare unui atom cunoscută sub numele de exciton. Cercetătorii și-au folosit colizionatorul pentru a estima energia de legare a excitonilor – o măsură a efortului necesar pentru a separa perechea.

Ciocnitorul ar putea fi util pentru a înțelege cum se comportă cvasiparticulele în materiale – cum se mișcă, interacționează și se ciocnesc. Astfel de proprietăți de cvasiparticule sunt deosebit de pertinente pentru materialele utilizate în celulele solare, spune Huber. Când lumina soarelui este absorbită în celulele solare, aceasta produce perechi de electroni și găuri care trebuie separate și recoltate pentru a produce electricitate.

Cercetătorii speră, de asemenea, să studieze cvasiparticulele din alte materiale, cum ar fi grafenul, o foaie de carbon cu grosimea unui atom (SN: 13/08/11, str. 26). Oamenii de știință speră să folosească grafenul pentru a crea electronice supersubțiri și flexibile, printre alte aplicații. Grafenul are o mulțime de proprietăți neobișnuite, printre care nu în ultimul rând că electronii săi pot fi considerați cvasiparticule; spre deosebire de electronii tipici, ei se comportă ca și cum ar fi fără masă.