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Jun 05, 2023

Neuer Materiezustand mithilfe ultradichter Kristalle entdeckt

Indem Wissenschaftler einen starken Lichtstrahl durch zwei chemische Verbindungen schickten, entdeckten sie einen einzigartigen neuen Materiezustand, der aus Teilchen namens Exzitonen besteht. Physiker haben einen exotischen neuen Zustand entdeckt

Indem Wissenschaftler einen starken Lichtstrahl durch zwei chemische Verbindungen schickten, entdeckten sie einen einzigartigen neuen Materiezustand, der aus Teilchen namens Exzitonen besteht.

Physiker haben einen exotischen neuen Zustand der Materie entdeckt, der die Form eines hochgeordneten Kristalls aus subatomaren Teilchen annimmt. Der neue Zustand der Materie, der als „bosonischer korrelierter Isolator“ bezeichnet wird, könnte zur Entdeckung vieler neuer Arten exotischer Materialien aus kondensierter Materie führen, so die Forscher, die ihre Ergebnisse in einer am 11. Mai in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie ausführlich darlegten .

Subatomare Teilchen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Fermionen und Bosonen. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden bestehen darin, wie sie sich drehen und wie sie miteinander interagieren.

Fermionen wie Elektronen und Protonen werden oft als Bausteine ​​der Materie angesehen, da sie Atome bilden und durch ihren halbzahligen Spin gekennzeichnet sind. Zwei identische Fermionen können nicht gleichzeitig denselben Raum einnehmen.

Bosonen hingegen übertragen Kraft – etwa Photonen oder Lichtpakete – und gelten als der Kitt des Universums, der die Grundkräfte der Natur zusammenhält. Diese Teilchen haben ganzzahlige Spins und mehrere Bosonen können sich gleichzeitig am selben Ort befinden.

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„Bosonen können das gleiche Energieniveau einnehmen; Fermionen bleiben nicht gerne zusammen“, sagte der Hauptautor der Studie, Chenhao Jin, ein Physiker für kondensierte Materie an der University of California in Santa Barbara, in einer Erklärung. „Zusammen bilden diese Verhaltensweisen das Universum, wie wir es kennen.“

Es gibt jedoch einen Fall, in dem zwei Fermionen zu einem Boson werden können: Wenn ein negativ geladenes Elektron an einem positiv geladenen „Loch“ in einem anderen Fermion befestigt wird, bildet es ein bosonisches Teilchen, das als „Exziton“ bekannt ist.

Um zu sehen, wie Exzitonen miteinander interagieren, schichteten die Forscher ein Gitter aus Wolframdisulfid auf ein ähnliches Gitter aus Wolframdiselenid in einem überlappenden Muster, das als Moiré bezeichnet wird. Dann ließen sie einen starken Lichtstrahl durch die Gitter strahlen – eine Methode, die als „Pump-Probe-Spektroskopie“ bekannt ist. Diese Bedingungen drückten die Exzitonen zusammen, bis sie so dicht gepackt waren, dass sie sich nicht mehr bewegen konnten, wodurch ein neuer symmetrischer kristalliner Zustand mit neutraler Ladung entstand – ein bosonischer korrelierter Isolator.

„Herkömmlicherweise haben die Menschen den größten Teil ihrer Bemühungen darauf verwendet, zu verstehen, was passiert, wenn man viele Fermionen zusammenfügt“, sagte Jin. „Der Hauptschwerpunkt unserer Arbeit besteht darin, dass wir im Grunde genommen ein neues Material aus wechselwirkenden Bosonen hergestellt haben.“

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Die Forscher sagten, dies sei das erste Mal, dass dieser neue Zustand der Materie in einem „echten“ Materiesystem und nicht in synthetischen Systemen erzeugt werde, was neue Einblicke in das Verhalten von Bosonen ermögliche. Darüber hinaus könnten die Methoden, mit denen das Team diesen neuen Zustand der Materie entdeckte, den Wissenschaftlern dabei helfen, weitere neue Arten bosonischer Materialien zu schaffen.

„Wir wissen, dass einige Materialien sehr bizarre Eigenschaften haben“, sagte Jin. „Und ein Ziel der Physik der kondensierten Materie besteht darin, zu verstehen, warum sie diese reichen Eigenschaften haben, und Wege zu finden, diese Verhaltensweisen zuverlässiger zum Vorschein zu bringen.“

Diese Geschichte wurde ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.

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