Wissenschaftler haben durch die Wechselwirkung bosonischer Teilchen, sogenannter Exzitonen, einen neuen Zustand der Materie entdeckt, der als „bosonischer korrelierter Isolator“ bezeichnet wird. Diese Forschung könnte den Weg für neue Erkenntnisse in der Physik der kondensierten Materie und die Schaffung neuer bosonischer Materialien ebnen.
Nehmen Sie ein Gitter – einen flachen Abschnitt eines Gitters aus gleichmäßigen Zellen, wie ein Fenstergitter oder eine Bienenwabe – und legen Sie ein weiteres, ähnliches Gitter darüber. Aber anstatt zu versuchen, die Kanten oder Zellen beider Gitter auszurichten, drehen Sie das obere Gitter so, dass Sie Teile des unteren Gitters durchschauen können. Dieses neue, dritte Muster ist ein Moiré, und zwischen dieser Art überlappender Anordnung von Gittern aus Wolframdiselenid und Wolframdisulfid fanden Physiker der UC Santa Barbara einige interessante Materialverhaltensweisen.
„Wir haben einen neuen Zustand der Materie entdeckt – einen bosonischen korrelierten Isolator“, sagte Richen Xiong, ein Doktorand in der Gruppe des UCSB-Physikers für kondensierte Materie Chenhao Jin und Hauptautor eines Artikels in der Zeitschrift Science. Laut Xiong, Jin und Mitarbeitern von der UCSB, der Arizona State University und dem National Institute for Materials Science in Japan ist dies das erste Mal, dass ein solches Material in einem „echten“ (im Gegensatz zu synthetischem) Materiesystem hergestellt wurde. Das einzigartige Material ist ein hochgeordneter Kristall aus bosonischen Teilchen, den sogenannten Exzitonen.
„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.“
Zwei übereinander gestapelt, wobei eines leicht versetzt ist, erzeugen ein neues Muster, das Moiré genannt wird. Bildnachweis: Matt Perko
Bosonisch. Korreliert. Isolator.
Subatomare Teilchen gibt es in zwei großen Typen: Fermionen und Bosonen. Einer der größten Unterschiede liege in ihrem Verhalten, sagte Jin.
„Bosonen können das gleiche Energieniveau einnehmen; Fermionen bleiben nicht gern zusammen“, sagte er. „Zusammen bilden diese Verhaltensweisen das Universum, wie wir es kennen.“
Fermionen wie Elektronen liegen der Materie zugrunde, mit der wir am besten vertraut sind, da sie stabil sind und durch elektrostatische Kraft interagieren. Unterdessen sind Bosonen wie Photonen (Lichtteilchen) tendenziell schwieriger zu erzeugen oder zu manipulieren, da sie entweder flüchtig sind oder nicht miteinander interagieren.
Ein Hinweis auf ihr unterschiedliches Verhalten liege in ihren unterschiedlichen quantenmechanischen Eigenschaften, erklärte Xiong. Fermionen haben halbzahlige „Spins“ wie 1/2 oder 3/2, während Bosonen ganzzahlige Spins (1, 2 usw.) haben. Ein Exziton ist ein Zustand, in dem ein negativ geladenes Elektron (ein Fermion) an sein positiv geladenes entgegengesetztes „Loch“ (ein anderes Fermion) gebunden ist, wobei die beiden halbzahligen Spins zusammen eine ganze Zahl bilden und ein bosonisches Teilchen erzeugen.
Das Jin Lab, von links nach rechts: Tian Xie, Richen Xiong, Chenhao Jin, Samuel L. Brantly. Kredit
Sonia Fernandez
Um Exzitonen in ihrem System zu erzeugen und zu identifizieren, legten die Forscher die beiden Gitter übereinander und bestrahlten sie mit starkem Licht, eine Methode, die sie „Pump-Probe-Spektroskopie“ nennen. Die Kombination von Teilchen aus jedem der Gitter (Elektronen aus dem Wolframdisulfid und Löcher aus dem Wolframdiselenid) und das Licht schufen eine günstige Umgebung für die Bildung und Wechselwirkungen zwischen den Exzitonen und ermöglichten es den Forschern gleichzeitig, das Verhalten dieser Teilchen zu untersuchen.
„Und als diese Exzitonen eine bestimmte Dichte erreichten, konnten sie sich nicht mehr bewegen“, sagte Jin. Dank starker Wechselwirkungen zwang das kollektive Verhalten dieser Partikel bei einer bestimmten Dichte sie in einen kristallinen Zustand und erzeugte aufgrund ihrer Unbeweglichkeit eine isolierende Wirkung.
„Was hier geschah, ist, dass wir die Korrelation entdeckten, die die Bosonen in einen hochgeordneten Zustand brachte“, fügte Xiong hinzu. Im Allgemeinen bildet eine lose Ansammlung von Bosonen bei ultrakalten Temperaturen ein Kondensat, aber in diesem System organisieren sie sich mit Licht und erhöhter Dichte und Wechselwirkung bei relativ höheren Temperaturen zu einem symmetrischen festen und ladungsneutralen Isolator.
Die Entstehung dieses exotischen Materiezustands beweist, dass die Moiré-Plattform und die Pump-Probe-Spektroskopie der Forscher ein wichtiges Mittel zur Herstellung und Untersuchung bosonischer Materialien werden könnten.
„Es gibt Vielteilchenphasen mit Fermionen, die zu Dingen wie Supraleitung führen“, sagte Xiong. „Es gibt auch Vielteilchen-Gegenstücke mit Bosonen, die ebenfalls exotische Phasen sind. Wir haben also eine Plattform geschaffen, da wir keine wirklich gute Möglichkeit hatten, Bosonen in realen Materialien zu untersuchen.“ Exzitonen seien zwar gut erforscht, fügte er hinzu, doch habe es bis zu diesem Projekt keine Möglichkeit gegeben, sie dazu zu bringen, stark miteinander zu interagieren.
Mit ihrer Methode, so Jin, könnte es möglich sein, nicht nur bekannte bosonische Teilchen wie Exzitonen zu untersuchen, sondern mit neuen bosonischen Materialien auch weitere Fenster in die Welt der kondensierten Materie zu öffnen.
„Wir wissen, dass einige Materialien sehr bizarre Eigenschaften haben“, sagte er. „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.“
Referenz: „Korrelierter Isolator von Exzitonen in WSe2/WS2 Moiré-Superlattices“ von Richen Xiong, Jacob H. Nie, Samuel L. Brantly, Patrick Hays, Renee Sailus, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Sefaattin Tongay und Chenhao Jin, 11. Mai 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.add5574