Naukowcy zbadali zachowanie nietypowych kwazicząstek w krysztale. Ekscytony to przyszłość wysokich technologii

Ekscyton to nazwa, która zbyt często nie pojawia się, nawet w artykułach popularnonaukowych. Co do zasady używa się jej do określenia kwazicząstki składającej się z elektronu i dziury w krysztale, w której powinien znajdować się elektron, ale która ze względu na brak tego elektronu zachowuje się jak cząstka o ładunku dodatnim.

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory postanowili przyjrzeć się procesom powstawania i zachowania takich cząstek w magnesach van der Waalsa. Badacze podejrzewają bowiem, że takie cząstki mogą w przyszłości odegrać istotną rolę w rozwoju wysokich technologii opartych na magnetyzmie. Wyniki badań opublikowano właśnie w periodyku naukowym Nature Communications.

Naukowcy korzystający z ośrodka w Brookhaven wykorzystali do swojego projektu badawczego instrument NSLS-II (National Synchrotron Light Source), który jest w stanie emitować silne wiązki promieniowania rentgenowskiego. Wiązkę taką skierowano na kryształ trisiarczku niklu i fosforu (NiPS3). To właśnie w ten sposób udało się odkryć obecność ekscytonów w tym konkretnym materiale.

Czytaj także: Oto najcieńsza soczewka na świecie. Nie uwierzysz, jaką ma grubość

Dokładniejsze przyjrzenie się tym nietypowym cząstkom wymagało od naukowców zastosowania techniki znanej jako rezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich (RIXS) pozwalającej dostrzec w bardzo wysokiej rozdzielczości zachowania energetyczne cząstek tworzących materiały stałe. Mając do dyspozycji takie narzędzia i metody naukowcy chcieli sprawdzić, jak ekscytony reagują na oddziaływanie magnetyczne.

Fotony rentgenowskie wyemitowane przez RIXS uderzają w elektrony znajdujące się. w badanym materiale i rozpraszają się na nich w różnych kierunkach. Następnie badacze starają się złapać te rozproszone fotony i precyzyjnie ustalić ich pęd oraz energię.

Dopiero na podstawie analizy tych danych są w stanie ustalić właściwości elektronów i dziur – czyli ekscytonów – znajdujących się w badanym materiale.

W toku badań fizykom udało się ustalić, że ekscytony poruszają się w objętości badanego kryształu zgodnie z regułą Hunda. To właśnie ta metoda reguluje konfigurację spinu elektronowego momentu magnetycznego każdego elektronu. To właśnie ta reguła wyjaśnia energię niezbędną do powstania ekscytonów.

Czytaj także: Stworzono nowy stan materii. Fizycy nigdy czegoś takiego nie widzieli

Analizując zachowanie ekscytonów naukowcy dostrzegli, że kwazicząstki te przemieszczają się w krysztale w sposób zbliżony do tego, w jaki poruszają się podwójne magnony, inne kwazicząstki występujące w magnesach van der Waalsa.

To dopiero początek badań ekscytonów. Naukowcy są przekonani, że wraz z rozwojem technik obrazowania, będziemy dowiadywać się więcej o ich naturze, a tym samym będziemy coraz bliżej momentu, w którym będziemy w stanie wykorzystać je do tworzenia nowych narzędzi pozwalających przechowywać olbrzymie ilości informacji.