Физики создали новый странный материал, состоящий из субатомных частиц

Возьмите решетку — плоский участок сетки из однородных ячеек — и положите над ней другую, такую же решетку. Но вместо того, чтобы выровнять ячейки обеих решеток, сдвиньте верхнюю сетку. Это в физике называется «муаровый узор», и именно таким образом, из перекрывающегося расположения решеток диселенида вольфрама и дисульфида вольфрама физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали новый материал с интересными свойствами. Научная статья вышла в Science.

«Мы открыли новое состояние материи — бозонно-коррелированный изолятор», — сказал Ричен Сюн, аспирант-исследователь группы физики конденсированного состояния, первый автор статьи.

Такой материал впервые был создан в реальной материи. Он представляет собой высокоупорядоченный кристалл из бозонных частиц, называемых экситонами.
Субатомные частицы бывают двух основных типов: фермионы и бозоны. Различия заключаются в их поведении. Фермионы — «кирпичики материи», бозоны — «переносчики» взаимодействий, которые «соединяют кирпичики». Вместе ни создают Вселенную такой, какой мы ее знаем. Бозоны, как правило, труднее создавать и манипулировать ими, поскольку они либо мимолетны, либо не взаимодействуют друг с другом.

Ключ к различному поведению частиц лежит в их различных квантово-механических характеристиках. Фермионы и бозоны отличаются свойствами спинов (это особенности вращения). Фермионы имеют полуцелые спины (1/2, 3/2 и пр.), а бозоны целые (1, 2 и т. д.).

Электроны относятся к фермионам, и они заряжены отрицательно. Если из кристаллической решетки материала извлечь электрон, там образуется положительно заряженная область, которая в физике называется «дырка». Эта «дырка» тоже ведет себя как фермион.

А вот если соединить электрон и «дырку», то получится экситон, у которого будет целый спин, то есть экситон будет вести себя как бозон. Именно с такими «бозонами» и работали авторы исследования.

Исследователи наложили две кристаллические решетки друг на друга и направили на них сильный свет. Комбинация частиц каждой из решеток (электроны дисульфида вольфрама плюс «дырки» диселенида вольфрама) и свет создали массу экситонов, которые смогли взаимодействовать друг с другом. Это позволило исследовать поведение этих частиц, а значит, в каком-то смысле и бозонов.

Когда их стало достаточно много, они образовали жесткую неподвижную кристаллическую решетку, мощный изолятор с нейтральным зарядом.

Таким образом, был создан совершенно новый бозонный материал. С помощью метода можно не только изучать бозонные частицы, но и создавать другие бозонные материалы. Пока практического применения для них не придумали, но это помогает лучше понять, как устроена Вселенная.