Экзотическая материя: физики наткнулись на материал, состоящий из бозонов

Открыто новое состояние материи, которое ученые назвали бозонным коррелированным изолятором. Он представляет собой кристаллическую сборку бозонных частиц, в частности, экситонов.

Возьмем для примера решетку — плоский участок сетки из однородных ячеек, вроде оконной сетки или сот — и разместим над ней еще одну  такую же решетку. Но вместо того, чтобы выравнивать края или ячейки решеток, мы повернем верхний экземпляр так, чтобы через него были видны части нижнего. Этот новый, третий образец представляет собой муаровую сверхрешетку.

В муаровых сверхрешетках и ранее наблюдалось множество нетрадиционных электронных состояний. Однако разработка бозонных фаз оставалась в значительной степени неизученной. Физики Калифорнийского университета сообщили о наблюдении некоторых интересных свойств материалов и открытии нового состояния материи — бозонного коррелированного изолятора. Авторы работы, опубликованной в журнале Science, обнаружили это состояние в муаровых сверхрешетках диселенид вольфрама/дисульфид вольфрама (WSe 2 /WS 2 ), состоящих из экситонов, то есть тесно связанных электронно-дырочных пар.

Открытие бозонного коррелированного изолятора — это путь к иному пониманию физики конденсированного состояния и созданию новых бозонных материалов

Есть два основных типа субатомных частиц: фермионы и бозоны. Основное различие между ними заключается в их поведении. Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень, а фермионы не способны на это одновременно. Как правило, во время исследований физики тратят большую часть своих усилий на то, чтобы понять, что происходит, когда множество фермионов соединяется. Основной смысл данной работы в том, чтобы создать новый материал из взаимодействующих бозонов.

Ключ к различающемуся поведению частиц лежит в разнице их спинов — собственных моментов импульса. У бозонов целочисленные спины, а фермионы — частицы с полуцелым спином. Экситон — это связанное состояние электрона (фермиона) и электронной дырки (другого фермиона), и в нем два полуцелых спина вместе становятся целочисленным, формируя бозон.

Чтобы сформировать экситоны в своей системе, авторы нового исследования наложили две решетки диселенида  вольфрама и дисульфида вольфрама соответственно друг на друга и направили на них сильный свет, используя метод спектроскопии накачки-зондирования. Такой подход позволил создать благоприятную среду для образования экситонов и взаимодействия между ними, и ученые смогли изучить поведение частиц.

Два сложенных вместе кристалла с легким смещением создают новый узор — муар. Изображение: Matt Bierko

Когда экситоны достигают определенной плотности, они не способны двигаться и переходят в смешанное коррелированное изолирующее состояние из-за неподвижности. Тут авторы исследования и обнаружили корреляцию, которая привела бозоны в высокоупорядоченное состояние — они организовались в симметричный твердый изолятор с нейтральным зарядом.

Образование этого экзотического состояния вещества демонстрирует, что физики находятся на пути к новому шагу в области создания и исследования бозонных материалов.

Благодаря исследованию создана платформа для дальнейших экспериментов, ведь до этого у ученых не было подходящего способа изучать бозоны в реальных материалах. Также, несмотря на то, что экситоны хорошо изучены, до настоящего времени не существовало метода заставить их взаимодействовать друг с другом с большей силой.