Orbitony – wyjaśnienie pochodzenia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego coraz bliżej?

Artykuły
Brak komentarzy
Drukuj

Fizycy zajmujący się materią skondensowaną mają kolejny powód do radości – odkryto orbiton – kwazicząstkę, której istnienie przewidziano ponad dziesięć lat temu. Orbiton to kolektywne (zbiorowe) wzbudzenie elektronów w jednowymiarowym ośrodku, zachowujące się jak pojedynczy elektron, lecz przenoszące informację tylko i wyłącznie o jego orbitalnym momencie pędu. Odkrycie orbitonu może przyczynić się do wyjaśnienia pochodzenia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego.

Kwazicząstki oferują fizykom wygodny kwantowo-mechaniczny opis zbiorowego zachowania elektronów i atomów w ciele stałym. Prawdopodobnie najbardziej znanym przykładem kwazicząstki jest dziura, czyli nieobsadzone miejsce w paśmie walencyjnym półprzewodnika (po wybiciu z niego elektronu), której przypisujemy dodatni ładunek elektryczny. Czasami układ może zostać opisany w kategoriach wielu różnych kwazicząstek, z których każda przenosi pewną informację dotyczącą jednej z wielu właściwości cząstek istniejących w rzeczywistości. Dla przykładu, układ składający się z dużej liczby elektronów może zostać opisany w kategoriach trzech kwazicząstek, z których każda przenosi informację tylko o jednej z jego podstawowych właściwości (np. o spinie, ładunku, czy orbitalnym momencie pędu).

Spinony i holony

Powyższy przykład został pięknie zilustrowany w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, podczas doświadczeń przeprowadzonych na SrCuO2 i Sr2CuO3, w których ruch elektronów był ograniczony do jednego wymiaru i odbywał się wzdłuż łańcuchów w sieci krystalicznej. Naukowcy wykorzystali wówczas technikę wysokorozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej w celu usunięcia pojedynczego elektronu z sieci krystalicznej. Konsekwencją tego było zaobserwowanie kwazicząstek przenoszących spin oraz ładunek elektronu tj. spinonów i holonów, które swobodnie przemieszczały się w sieci krystalicznej badanych materiałów.

Przez wiele lat uważano, że zaobserwowanie orbitonu, czyli kwazicząstki przenoszącej informację o orbitalnym momencie pędu elektronu, będzie wyjątkowo trudnym zadaniem. Za sprawą Thorstena Schmitta z Paul Scherrer Institute w Villigen (Szwajcaria) oraz międzynarodowej grupy fizyków zadanie to udało się jednak z powodzeniem zrealizować. Odkrycia orbitonu dokonano z wykorzystaniem techniki rezonansowego nieelastycznego rozpraszania promieniowania rentgenowskiego (promieniowania X), zapewniającej wystarczająco wysoką intensywność oraz rozdzielczość. „Byliśmy bardzo zaskoczeni, gdy udało nam się zaobserwować orbiton”, powiedział Schmitt.

Odkrycie orbitonu

W eksperymencie przeprowadzonym przez zespół Schmitta, wiązka promieniowania rentgenowskiego kierowana była na tarczę wykonaną z Sr2CuO3, składającą się z jednowymiarowych łańcuchów zawierających cząsteczki tlenku miedzi. W cząsteczkach tych elektrony z zewnętrznych powłok atomowych, przebywające w stanie podstawowym, ustawiają się naprzemiennie ze względu na posiadaną orientację spinową. Wskutek rozpraszania na nich promieniowania X elektrony te mogą jednak ulec wzbudzeniu do wyższych stanów energetycznych. Kiedy fotony promieniowania rentgenowskiego oddziaływały z próbką, sąsiadujące ze sobą elektrony zmieniały posiadaną orientację spinu. Zjawisko to powodowało tworzenie się tzw. ściany domenowej, w której nie obserwuje się naprzemiennego uporządkowania elektronów ze względu na posiadany spin. Naukowcom udało się zarejestrować dwie różne energie wzbudzenia: jedną związaną z lokalnym zaburzeniem uporządkowania spinów, a więc z pojawieniem się spinonów oraz drugą odnoszącą się do kolektywnej reakcji wszystkich elektronów w łańcuchu tlenku miedzi, związaną właśnie z orbitonami.

Schmitt mocno wierzy, że wiedza dotycząca orbitonów pomoże pomóc fizykom lepiej zrozumieć zjawisko wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa, występującego głównie w materiałach zawierających tlenek miedzi.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com

Dodaj komentarz