OrbitonulFizicienii materiei condensate adoră cvasi-particulele, iar acum au o nouă entitate pe care să o admire. Prognozat pentru prima dată în urmă cu un deceniu, orbitonul este o excitaţie colectivă a electronilor într-un solid 1D, care se comportă similar unui electron.

 

 

 

Orbitonul are asociat un moment cinetic orbital, însă nu are spin sau sarcină electrică. În afară de completarea setului de trei cvasi-particule similare electronului, prognozate a exista într-un solid 1D, descoperirea, făcută de o echipă internaţională de fizicieni, ar putea oferi detalii noi despre originea supraconductibilităţii la temperaturi înalte.

Cvasi-particulele oferă fizicienilor o descriere comodă şi conformă cu mecanica cuantică a comportamentului colectiv al electronilor şi atomilor din materiale solide. Poate că exemplul cel mai celebru este „gaura”, care descrie absenţa electronilor într-un semiconductor, în termenii unor particule încărcate pozitiv, similare electronilor.


Trei pentru unul


Uneori, un sistem poate fi descris în termeni de câteva cvasi-particule diferite, fiecare dintre ele manifestând o proprietate specifică a particulelor „reale” constituente. De exemplu, un electron dintr-un solid are un spin intrinsec, sarcină şi moment cinetic orbital. În anumite situaţii speciale, un sistem de electroni ar putea fi descris în termeni de trei cvasi-particule, fiecare având doar una dintre aceste proprietăţi fundamentale.

Acest fapt a fost demonstrat la mijlocul anilor 1990, prin experimente efectuate pe SrCuO2 şi Sr2CuO3, în care electronii sunt restrânşi la 1D de-a lungul lanţurilor unei reţele cristaline. Cercetătorii au folosit fotoemisii spectroscopice de rezoluţie înaltă pentru a îndepărta un singur electron din reţea. În spaţiul rămas liber, oamenii de ştiinţă au observat formarea unor cvasi-particule reprezentând spinul şi sarcina electrică (respectiv „spinoni” şi „holoni”), care au fost observaţi într-o mişcare liberă prin reţeaua cristalină.

 


Orbitonul
Membrii echipei: Jeroen van den Brink (stânga) şi Krzysztof Wohlfeld (centru) de la IFW Dresden dezbat teoria orbitonilor cu Thorsten Schmitt.
Credit imagine: Philip Dera

 

Detecţie surpriză

Observarea celei de-a treia cvasi-particule, orbitonul (sau particula reprezentând gradul de libertate orbital al electronului) a fost considerată o sarcină prea dificilă. Cu toate acestea, în prezent, Thorsten Schmitt de la Institutul Paul Scherrer, laboratorul Swiss Light Source din Villingen şi un grup internaţional de colegi, au efectuat experimentul utilizând cea mai recentă tehnologie de împrăştiere inelastică de rezonanţă cu raze X. Această tehnică furnizează o intensitate şi rezoluţie suficient de mari pentru electroni distincţi într-un solid 1D. „Am fost foarte surprinşi că am fost capabili să-l observăm”, spune Schmitt.

În cadrul experimentului lor, Schmitt şi colegii săi au folosit ca ţintă materialul Sr2CuO3, care conţine un lanţ 1D din grupuri de oxizi de cupru. În aceste grupuri, starea fundamentală a electronilor exteriori se aliniază, cu spin alternant, însă pot ajunge în stări energetice diferite la contactul cu un foton de raze X. Când un foton de raze X interacţionează cu mostra, un electron îşi schimbă orientarea spinului cu cea a vecinului său. Aceasta creează o limită de domeniu, unde aranjamentul de spini alternanţi este discontinuu. Cercetătorii au observat două energii distincte de excitaţie: una legată de anomalia locală a aranjamentului spinilor (spinonul), iar cealaltă este legată de un răspuns colectiv al tuturor electronilor din lanţul de oxid de cupru, anume orbitonul.

„Ceea ce m-a surprins a fost faptul că fenomenul funcţionează similar cu separarea spin-sarcină electrică”, afirmă Giniyat Khaliullin, teoretician de la Institutul Max-Planck pentru Cercetarea în domeniul Fizicii Stării Solide, din Stuttgart, Germania. „De fapt, numărul cuantic orbital al unui electron corespunde formei spaţiale a acestuia şi, în general, s-a considerat că în sistemele reale orbitalii se leagă strâns de reţea, de aceea neputându-se mişca coerent. Se pare totuşi că pot, comportându-se, într-adevăr, asemeni unei cvasi-particule reale, orbitonul, care transportă informaţiile referitoare la structura spaţială a electronilor”.

Schmitt consideră că orice informaţii referitoare la cvasi-particulele de tip orbiton pot ajuta fizicienii să înţeleagă supraconductibilitatea la temperaturi ridicate, care apare cel mai adesea în materialele având în componenţă oxid de cupru. „În supraconductibilitatea la temperaturi ridicate, multe dintre aceste interacţiuni sunt importante”, spune el. „Sunt noţiuni destul de dificile, deoarece timp de 25 de ani cercetătorii au încercat să înţeleagă supraconductibilitatea la temperaturi ridicate, însă nu au reuşit. Astfel că orice detaliu descoperit de cineva, chiar şi în sisteme simple, este important pentru a înregistra un progres”.

Studiul a fost publicat în revista „Nature”.

 

 

 

Traducere după Introducing the 'orbiton', cu acordul physicsworld.com.
Traducerea: Ştefan Ciprian Arseni

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.


Dacă găsești site-ul util, ne poți ajuta cu o DONAȚIE