Uusi kvasihiukkanen löydetty: Pi-ton

Valokvanteilla luotu kaksi elektronia ja kaksi aukkoa pysyvät yhdessä shakkilautamaisessa kidehilan kuvauksessa.

TU Wienin tutkijat ovat löytäneen uuden kvasipartikkelin tietokonesimulaatioissa. Se koostuu kahdesta elektronista ja kahdesta aukosta ja on nimetty pi-toniksi.

"Yksinkertaisin kvasihiukkanen on elektronin jättämä aukko", selittää professori Karsten Held TU Wienin kiinteiden olosuhteiden fysiikan instituutista.

"Ero hiukkasten ja kvasihiukkasten välillä ei ole niin selkeä kuin voisi ajatella", Held toteaa. "Tarkkaan ottaen jopa tavalliset hiukkaset voidaan ymmärtää vain ympäristönsä yhteydessä. Jopa tyhjiössä hiukkanen-aukko virityksiä esiintyy jatkuvasti, tosin hyvin lyhyen ajan. Ilman niitä esimerkiksi elektronin massa olisi täysin erilainen. Tässä mielessä, jopa kokeessa tavallisten elektronien kanssa, se mitä todella näemme kvasi-hiukkaselektroni."

Mutta on myös monimutkaisempia kvasihiukkasia: Esimerkiksi eksitoni, joka koostuu elektronin ja aukon sidotusta tilasta ja on valon luoma.

"Halusimme tosiasiallisesti tutkia tällaisia eksitoneja", selittävät tohtorit Anna Kauch ja Petra Pudleiner, paperin ensimmäiset kirjoittajat. "Kehitimme tietokonesimulaatioita kiinteiden aineiden kvanttifysikaalisten vaikutusten laskemiseksi."

Mutta pian he kollegoineen tajusivat, että he olivat tavanneet jotain täysin erilaista laskelmissaan - aivan uuden tyyppisen näennäishiukkasen. Se koostuu kahdesta elektronista ja kahdesta aukosta, jotka yhdistyvät ulkomaailmaan fotonien kautta.

Ryhmä antoi tälle aiemmin tuntemattomalle esineelle nimen pi-ton." Nimi pi-ton tulee siitä, että kahta elektronia ja kahta aukkoa pitää yhdessä varaustiheyden vaihtelu tai spin heilahtelut, jotka kääntävät niiden luonteen aina 180 astetta yhdestä kiteen hilakohdasta seuraavaan - ts. pi-kulmalla, radiaaneina mitattuna", selittää Anna Kauch." Tämän jatkuvan muutoksen plussista miinuksiin voidaan ehkä kuvitella kuten mustan muuttumiseksi valkoiseksi shakkilaudalla". sanoo Petra Pudleiner. Pi-ton syntyy spontaanisti absorboimalla fotoni. Kun se katoaa, fotoni emittoituu jälleen.

Toistaiseksi pi-ton on löydetty ja varmennettu vain tietokonesimulaatioilla. Tutkimusryhmälle pi-tonin olemassaolosta ei ole epäilystäkään: "Olemme nyt tutkineet pi-ton-ilmiötä eri malleilla - se näkyy uudestaan ja uudestaan. Siksi sen pitäisi ehdottomasti olla havaittavissa erilaisissa materiaaleissa", Karsten Held vakuuttaa.

"Tietty samariumtitanaatista saatu kokeellinen data vaikuttaa jo osoittavan pi-toniin. Lisäkokeilut fotonien ja neutronien kanssa pitäisi pian antaa selkeyttä."

Vaikka olemmekin jatkuvasti lukemattomien näennäispartikkeleiden ympäröiminä - uuden ajin löytäminen on jotain erityistä. Eksitonin lisäksi nyt on myös pi-ton. Joka tapauksessa tämä auttaa parantamaan ymmärrystä valon ja kiinteiden aineiden kytkennästä. Aiheella on tärkeä rooli paitsi perustutkimuksessa myös monissa teknisissä sovelluksissa - puolijohdeteknologiasta valosähköön.