Η θεωρητική πρόταση και η επιβεβαιώση της
Την δεκαετία του 60, ο καθηγητής του Harvard και θεωρητικός φυσικός Bert Halperin, πρότεινε το excitonium σαν μια νέα μορφή ύλης. Κοντά 50 χρόνια αργότερα, στις 8 Δεκεμβρίου 2017, ο καθηγητής φυσικής του πανεπιστημίου του Illinois Peter Abbamonte και η ομάδα του, έκαναν εφικτή την πειραματική του επιβεβαίωση. Όπως ο ίδιος χαρακτηριστικά αναφέρει: ”Αυτό το αποτέλεσμα είναι κοσμικού επιπέδου σημαντικότητας”.
Τι είναι το excitonium και πως συμπεριφέρεται
Το excitonium δομείται από τα λεγόμενα εξιτόνια (excitons). Αυτά αποτελούνται από ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής μέσα στο υλικό το οποίο επιτρέπει την δημιουργία του ζεύγους αυτού. Ας υποθέσουμε πως έχουμε ένα υλικό τυχαίας αγωγιμότητας. Η τελευταία χαρακτηρίζει τα υλικά κατά βάση σε μονωτές, αγωγούς(μέταλλα), ημιαγωγούς κλπ. Η ίδια όμως η αγωγιμότητα χαρακτηρίζεται από την μορφή που έχουν οι ενεργειακές ζώνες του υλικού και από τα ηλεκτρόνια που τις καταλαμβάνουν. Οι δύο ανώτατες ενεργειακά ζώνες είναι η ζώνη σθένους και η ζώνη αγωγιμότητας.
Όταν ένα φωτόνιο προσκρούσει σε ένα ηλεκτρόνιο τότε αυτό διεγείρεται και ανεβαίνει, ενεργειακά ζώνη. Από το αγγλικό excited (διέγερση) προκύπτει και το όνομα του εξιτονίου. Καθώς το ηλεκτρόνιο ανεβαίνει, αφήνει στην κάτω ζώνη ένα κενό, μια οπή. Αυτήν η οπή συμπεριφέρεται μέσα στο υλικό σαν ψευδοσωμάτιο με αντίθετο φορτίου αυτού του ηλεκτρονίου έλκοντας το τελευταίο μέσω της δύναμης Coulomb. Μάλιστα το ίδιο το ηλεκτρόνιο που διεγέρθηκε συμπεριφέρεται σαν ψευδοσωμάτιο. Το ζευγάρι αυτό ηλεκτρονίου-οπής είναι τελικά αυτό που ονομάζουμε εξιτόνιο. Καθώς αποτελείται από δύο φερμιόνια, συμπεριφέρεται σαν μποζόνιο.
Σύμφωνα με τους θεωρητικούς, το excitonium, παρουσιάζει μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα όπως ένα υπερευστό(μηδενικό ιξώδες-δεν χάνει κινητική ενέργεια καθώς ρέει) ή ένας υπεραγωγός(μηδενική ωμική αντίσταση). Η συμπεριφορά δηλαδή του excitonium είναι ίδια με αυτή ενός συμπυκνώματος. Και εφόσον το εξιτόνιο δρα σαν μποζόνιο, το συμπύκνωμα αυτό είναι το Bose-Einstein.
Η δυσκολία της εύρεσης του και η μακροχρόνια προσπάθεια
Η μεγαλύτερη πρόκληση που έπρεπε να αντιμετωπιστεί ήτανε η λεγόμενη φάση Peierls. Πρόκειται για μια αυθόρμητη κρυσταλλική παραμόρφωση οδηγούμενη από την αντίδραση ηλεκτρονίου-φωνονίου. Βέβαια δεν έχει καμία σχέση με τον σχηματισμό των εξιτονίων, όμως οι φάσεις τους έχουν την ίδια συμμετρία και ίδια παρατηρήσιμα μεγέθη. Λόγω τεχνολογικής ανεπάρκειας των προηγουμένων χρόνων, ήτανε αδύνατο να προσδιοριστεί πότε ένα υλικό θα παρουσιάστει στην μορφή του excitonium.
Ένα άλλο πρόβλημα, εκτός απο την τεχνική που θα έπρεπε να βρεθεί για να διαφοροποιηθούν τα εξιτόνια απο τις παραμορφώσεις Peierls, ήταν το υλικό και οι θερμοκρασιακές συνθήκες που θα βοηθούσαν στην γέννηση αυτής της νέας ύλης. Αυτό έγκειται στο γεγονός πως, τα συμπυκνώματα έχουνε συνήθως κρίσιμες θερμοκρασίες υπεραγωγιμότητας κοντά στα 0 Kelvin. Επίσης ζεύγη οπών-ηλεκτρονίων (εξιτόνια) μπορούν να δημιουργηθούν σε μονωτές και ημιαγωγούς και όχι σε αγωγούς όπως διευκρινίστηκε παραπάνω. Δηλαδή χρειαζόμαστε ένα υλικό που να συμπεριφέρεται σαν αγωγός σε θερμοκρασία αρκετά μεγαλύτερη από 0Κ, δηλαδή έναν ημιαγωγό.
Η κατάληξη και μια νέα αρχή
Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε τελικά για την εύρεση του excitonium είναι η φασματοσκοπία M-EELS (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy). Χάρη σε αυτήν ήταν δυνατή η μέτρηση των συλλογικών διεγέρσεων των οπών-ηλεκτρονίων ασχέτως με την ορμή που κατείχαν. Το υλικό που κατέστη την διεργασία επιτυχή ήταν το ημιμέταλλο 1T-TiSe2 με κρίσιμη θερμοκρασία 190Κ. Το τελευταίο είναι χονδρικά ένας ημιαγωγός έμμεσου χάσματος. Αυτό σημαίνει πως τα φωτόνια που δέχεται το υλικό δεν είναι αρκετά ώστε να στείλουν τα ηλεκτρόνια στην ταινία αγωγιμότητας. Η περίσσια ορμή που χρειάζεται διοχετεύεται από την ακτινοβόληση του υλικού που μοιράζεται στα ηλεκτρόνια και στο πλέγμα(φωνόνια). Τα τελευταία καθιστούν τα ηλεκτρόνια ικανά να διεγερθούν υπό την κρίσιμη θερμοκρασία.
Μια νέα εποχή ίσως να ξεκινά με την ανακάλυψη του excitonium. Είναι ακόμα πολύ νωρίς να αποφανθούμε καθώς χρειάζεται πολύς χρόνος και αμέτρητα ακόμη πειράματα για να μελετήσουμε τις ιδιότητες και χρησιμότητες του, αλλά είναι συνήθως αυτές οι φαινομενικά σύνθετες ανακαλύψεις που καθιστούν την καθημερινότητα του μέλλοντος λιγότερο σύνθετη.
