Physiker stoßen auf Materie, die aus Bosonen besteht

Wissenschaftler haben durch die Wechselwirkung bosonischer Teilchen, sogenannter Exzitonen, einen neuen Zustand der Materie entdeckt, der als „bosonischer kohärenter Isolator“ bezeichnet wird. Diese Forschung könnte den Weg für ein neues Verständnis der Physik der kondensierten Materie und die Schaffung neuer bosonischer Materialien ebnen.

Nehmen Sie ein Gitter – einen flachen Abschnitt eines Gitters aus regelmäßigen Zellen, beispielsweise ein Fenstergitter oder eine Wabe – und legen Sie ein weiteres ähnliches Gitter darauf. Aber anstatt zu versuchen, die Kanten oder Zellen jedes Gitters auszurichten, drehen Sie das obere Gitter so, dass Sie Teile des unteren Gitters durchschauen können. Dieses neue dritte Muster ist Moiré, und zwischen dieser Art verschachtelter Anordnung von Wolframdiselenid- und Wolframdisulfidgittern haben Physiker der UC Santa Barbara ein interessantes Materialverhalten gefunden.

„Wir haben einen neuen Zustand der Materie entdeckt – einen kohärenten Boson-Isolator“, sagte Richen Xiong, ein Doktorand in Chenhao Jins Gruppe, Physiker für kondensierte Materie an der UCLA und Hauptautor eines Artikels in der Zeitschrift Science. Laut Xiong, Jin und Mitarbeitern von der UCSB, der Arizona State University und dem National Institute of Materials Science in Japan ist dies das erste Mal, dass solche Materialien in einem „echten“ (im Gegensatz zu synthetischen) Materialsystem hergestellt wurden. Die einzigartige Substanz ist ein hochgeordneter Kristall aus Bosonenteilchen, den sogenannten Exzitonen.

„Traditionell haben die Menschen ihre meiste Mühe darauf verwendet zu verstehen, was passiert, wenn man viele Fermionen zusammenfügt“, sagte Jin. „Der Hauptantrieb unserer Arbeit ist, dass wir im Wesentlichen ein neues Material aus wechselwirkenden Bosonen hergestellt haben.“

Zwei leicht versetzt gestapelte Muster erzeugen ein neues Muster namens Moiré. Bildnachweis: Matt Bierko

Bosonisch. mit Gewinde. 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 gerne zusammen“, sagte er. Zusammen bilden diese Verhaltensweisen das Universum, wie wir es kennen.“

Fermionen liegen wie Elektronen der Materie zugrunde, mit der wir am besten vertraut sind, da sie stabil sind und durch elektrostatische Kraft interagieren. Unterdessen sind Bosonen ebenso wie Photonen (Lichtteilchen) tendenziell schwieriger zu erzeugen oder zu manipulieren, da sie entweder vorübergehend sind oder nicht miteinander interagieren.

Der Beweis für ihr charakteristisches Verhalten, erklärte Xiong, liege in ihren unterschiedlichen quantenmechanischen Eigenschaften. 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 entsprechendes positiv geladenes „Loch“ (ein anderes Fermion) gebunden ist und eine halbe ganze Zahl zu einer ganzen Zahl zusammendreht, was zu einem Boson führt.

Jins Labor, von links nach rechts: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. Kredit
Sonia Fernandez

Um die Exzitonen in ihrem System zu erzeugen und zu identifizieren, legten die Forscher die beiden Gitter übereinander und bestrahlten sie mit einer Methode, die sie „Pumpspektroskopie“ nennen, mit starkem Licht. Die Ansammlung von Teilchen aus beiden Gittern (Elektronen aus Wolframdisulfid und Löcher aus Wolframdioxid) und Licht schufen eine Umgebung, die die Bildung und Wechselwirkungen zwischen Exzitonen begünstigte und es den Forschern gleichzeitig ermöglichte, das Verhalten dieser Teilchen zu untersuchen.

„Und als diese Exzitonen eine bestimmte Dichte erreichten, konnten sie sich nicht mehr bewegen“, sagte Jin. Dank der starken Wechselwirkungen zwang das kollektive Verhalten dieser Partikel bei einer bestimmten Dichte sie in einen kristallinen Zustand und erzeugte aufgrund ihrer Stabilität eine isolierende Wirkung.

„Was hier geschah, ist, dass wir die Beziehung entdeckten, die die Bosonen in einen Zustand höherer Ordnung trieb“, fügte Xiong hinzu. Im Allgemeinen würde eine lose Ansammlung von Bosonen bei sehr kalten Temperaturen einen Kondensator bilden, aber in diesem Bereich, mit sowohl Licht als auch erhöhter Dichte und Wechselwirkung bei relativ höheren Temperaturen, organisierten sie sich zu einem symmetrisch geladenen, neutralen festen Isolator.

Die Entstehung dieses seltsamen Zustands der Materie beweist, dass die wellenförmige Plattform- und Pumpspektroskopie der Forscher ein wichtiges Mittel für die Entstehung und Untersuchung bosonischer Materie werden kann.

„Es gibt viele Körperphasen mit Fermionen, die zu Dingen wie Supraleitung führen“, sagte Xiong. Es gibt auch viele Bosonen-ähnliche Körper, die ebenfalls exotische Phasen sind. Also haben wir eine Plattform geschaffen, weil wir wirklich keine großartige Möglichkeit hatten, Bosonen in realen Materialien zu untersuchen.“ Er fügte hinzu, dass Exzitonen zwar gut untersucht seien, aber nicht einmal dieses Projekt eine Möglichkeit habe, sie zu einer starken Wechselwirkung zu bewegen gegenseitig.

Durch ihre Methode könnte es laut Jin möglich sein, nicht nur bekannte bosonische Teilchen wie Exzitonen zu untersuchen, sondern mit neuen bosonischen Materialien auch mehr Fenster in die Welt der kondensierten Materie zu öffnen.

„Wir wissen, dass einige Materialien sehr seltsame Eigenschaften haben“, sagte er. „Eines der Ziele der Physik der kondensierten Materie besteht darin, zu verstehen, warum sie über so reichhaltige Eigenschaften verfügt, und Wege zu finden, diese Verhaltensweisen zuverlässiger erscheinen zu lassen.“

Referenz: „Kohärenter Isolator von Exzitonen in WSe₂/ WS₂ Super Moiry“ von Richen Xiong, Jacob H.Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai und Chenhao Jin, 11. Mai 2023, hier erhältlich. Wissenschaften.
DOI: 10.1126/science.add5574