Friday, 31 October, 2014

Tutvustame: orbiton

April 22, 2012 Postitas: Stiina Kristal · Kommenteeri 

Tahkisefüüsikud armastavad kvaasiosakesi, ning nüüd on neil uus lemmik – orbiton. Vaid kümne aasta eest ennustatud orbiton on elektronide kollektiivne ergastus ühedimensionaalses tahkises. Selline ergastus käitub justkui üks elektron, millel on orbitaalne impulsimoment kuid puudub nii spinn kui elektrilaeng. Lisaks ühedimensionaalse tahkise ennustatud kolme elektronisarnase kvaasiosakese komplekti kinnitamisele võib antud avastus anda uut informatsiooni ka kõrgtemperatuurilise ülijuhtivuse kohta.

Thorsten Schmitt ja kolleegid orbitoni avastamist tähistamas.

Kvaasiosakesed võimaldavad füüsikutel mugavalt kirjeldada kvantmehaaniliselt elektronide ja aatomite kollektiivset käitumist tahkistes. Selle ilmselt kõige tuntumaks nähtuseks on nn ,,auk,” mis kirjeldab elektronide puudumist pooljuhis justkui positiivselt laetud elektronisarnast osakest, kirjutab PhysicsWorld.com.

Kolm ühe eest

Mõnikord saab süsteemi kirjeldada mitme kvaasiosakese abil, millest igaühel on antud ,,reaalse” osakese mingi kindel omadus. Näiteks on tahkises oleval elektronil sisemine spinn, laeng ja orbitaalne impulsimoment. Mõningates eriolukordades saab elektronide süsteemi kirjeldada kolme kvaasiosakese abil, millest igaühel on üks neist fundamentaalsetest omadustest.

Seda võimalust illustreeriti selgelt 90ndate keskel tehtud SrCuO2 ja Sr2CuO3 katsetega, milles elektronid lõksustati ühedimensionaalselt kristallvõrestikku ahelaks. Teadlased kasutasid kõrgresolutsioonilist fotoemissioonspektroskoopiat, et sellest võrestikust vaid üks elektron eemaldada. Järelejäänud tühimikus täheldasid teadlased spinn ja laengut esindavate kvaasiosakeste – vastavalt spinoni ja holoni –  moodustumist. Osutus, et need osakesed võisid kristallvõrestikus vabalt liikuda.

Üllatus

Kolmanda kvaasiosakese ehk elektroni orbitaalset vabadusastet esindava orbitoni vaatlemist on senini liiga keeruliseks peetud. Nüüd aga said rahvusvaheline teadlasterühm just selle teoga hakkama, kasutades uusimat resoneerivat mitteelastset röntgendifraktsiooni tehnoloogiat. See meetod võimaldab piisavat kõrget intensiivsust ja resolutsiooni, et elektrone ühedimensionaalses tahkises üksteisest eristada. ,,Me olime väga üllatunud, et seda nägime,” lausus uurimust juhtinud Thorsten Schmitt.

Oma eksperimendis kasutasid teadlased sihtmärgina materjali Sr2CuO3, mis sisaldab vaskoksiidi rühmade ühedimensionaalset ahelat. Neis rühmades joondub väliste elektronide põhiolek vahelduvate spinnidega, kuid võib röntgenkiirguse footonite tõttu erinevatesse olekutesse ergastuda. Kui röntgenkiirguse footon katseeksemplariga reageerib, siis vahetavad elektronid oma naabritega spinni orientatsioonid. See tekitab domeeni seina sinna, kus vahelduva spinni jada katkeb. Teadlased nägid kahte erinevat ergastusenergiat: ühte seoses spinni asetuse lokaalse häiritusega – spinioniga – ja teist seoses kõikide vaskoksiidi ahela elektronide kollektiivse reaktsiooniga, milleks ongi orbiton.

,,Mis meile suureks üllatuseks on, on see, et antud nähtus töötab täpselt samamoodi kui spinni-laengu eraldumise juhtum,” sõnas Giniyat Khaliullin, Max-Plancki Instituudi teoreetik. ,,Tegelikkuses vastab elektroni orbitaalne kvantarv elektroni ruumilisele kujule, ning varem usuti, et reaalsetes süsteemides on orbitaalid tugevalt võrestikku seotud ning ei saa seega koherentselt liikuda. Paistab, et saavad aga küll, ning nad käituvad tõepoolest justkui reaalne kvaasiosake – orbiton – mis kannab informatsiooni elektroni ruumilise kuju kohta.”

Schmitti sõnul võivad teadmised orbiton-kvaasiosakesest aidata füüsikutel jõuda lähemale eesmärgini mõista kõrgtemperatuurilist ülijuhtivust, mis tekib peamiselt vaskoksiide sisaldavates materjalides. ,,Kõrgtemperatuurilises ülijuhtivuses on paljud neist vastastikmõjudest väga olulised,” lausus ta. ,,See on väga keeruline – teadlased on 25 aastat püüdnud kõrgtemperatuurilist ülijuhtivust mõista, kuid seni pole see õnnestunud. Seega on iga väiksemgi detail edusammude tegemisel oluline.”

Allikas

Teadusartikkel: “Spin–orbital separation in the quasi-one-dimensional Mott insulator Sr2CuO3

Ei ole rohkem selle temaatika postitusi.

Räägi meile, mis Sa arvad...


Kommentaarile oma pildi lisamiseks külastage lehekülge gravatar!