Ecco l'eccitonio, una nuova forma di materia. / Here is the exciton, a new form of matter.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Illustrazione delle regioni (giallo) di un solido in cui si propagano gli eccitoni. (Credit: Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory) / Illustration of the regions (yellow) of a solid in which the excitons are propagated

Prevista per via teorica decine di anni fa, questa forma di materia condensata, in cui prevalgono coppie chiamate eccitoni, formate da elettroni e lacune elettroniche, è stata osservata per la prima volta grazie a una nuova tecnica di spettroscopia.

Eccitonio, è così che fu chiamata quasi cinquant'anni fa una nuova forma della materia che ora, per la prima volta, è stata osservata da un gruppo di ricerca che firma un articolo su “Science”.

Il nome si deve alla particolare fisica che domina la struttura microscopica di questa forma di materia, in cui prevale la formazione dei cosiddetti eccitoni. Per capire di che cosa si tratta, occorre riassumere brevemente che cosa succede in un campione di materia condensata quando su di esso incide un impulso di luce di frequenza opportuna. Per effetto dell’energia trasferita da un fotone, cioè il quanto di luce, un atomo di materiale può eccitarsi, spostando un suo elettrone in un livello più esterno con energia superiore rispetto a quello di partenza.

Questo processo lascia dietro di sé una lacuna elettronica, cioè una posizione vacante, che può essere considerata come il corrispettivo dell'elettrone, dotato però di carica opposta. In questo modo si forma una coppia, denominata eccitone: da una parte l’elettrone, con carica negativa, e dall’altra la lacuna, dotata di carica positiva; un po’ come avviene in un atomo d’idrogeno, in cui il nucleo positivo, formato da un solo protone, e l’elettrone orbitale negativo sono legati dall’interazione coulombiana. Proprio per questa possibilità di considerare la coppia elettrone-lacuna come un'unica entità fisica, l'eccitone fa parte dell'ampio insieme delle quasiparticelle, termine che si riferisce allo stato di eccitazione di un solido per diversi tipi di interazioni.

Grazie al concetto di eccitone, i fisici sono in grado di descrivere in modo relativamente semplice ciò che succede all’interno della materia condensata. Nei decenni passati, il problema 

era che non esisteva un metodo sperimentale in grado di distinguere tra eccitonio e uno stato della materia, la fase di Peierls, con cui condivide alcune caratteristiche osservabili, ma non la formazione di eccitoni.

Peter Abbamonte, dell'Università dell'Illinois, e colleghi hanno osservato un composto noto come diseleniuro di titanio dicalcogenuro (1T-TiSe2) grazie a una nuova tecnica di osservazione spettroscopia, indicata con la sigla M-EELS, più sensibile alla rilevazione degli stati eccitati di un materiale rispetto alle tecniche convenzionali.

Grazie a questa nuova tecnica, il gruppo è riuscito per la prima volta a misurare le eccitazioni collettive di coppie di elettroni-lacune, rilevando un segnale precursore del fenomeno, che si manifesta quando il materiale si avvicina alla temperatura critica di 190 kelvin (-83 gradi Celsius).
 
“Questo risultato è estremamente importante”, ha spiegato Abbamonte. “Fin da quando il termine ‘eccitonio’ fu coniato da Bert Halperin, fisico teorico della Harvard University, i fisici di tutto il mondo hanno cercato di dimostrare la sua esistenza”.

Le ipotesi di possibili applicazioni sono speculative; si tratta in ogni caso di un aver aggiunto un altro tassello al complesso quadro di conoscenze dei fenomeni più estremi che si verificano nella materia condensata.

ENGLISH

Expected theoretically tens of years ago, this form of condensed matter, in which pairs called excitons, formed by electrons and electronic gaps, prevailed was first observed thanks to a new spectroscopy technique.

Eccitonio, that's how a new form of matter was called almost fifty years ago, which now, for the first time, has been observed by a research group that signs an article in "Science".

The name is due to the particular physics that dominates the microscopic structure of this form of matter, in which the formation of so-called excitons prevails. To understand what it is, we need to briefly summarize what happens in a condensed matter sample when it impacts a light pulse of appropriate frequency. Because of the energy transferred by a photon, that is the quantum of light, an atom of material can be excited, moving one of its electrons to a more external level with a higher energy than the original one.

This process leaves behind an electronic gap, that is, a vacant position, which can be considered as the counterpart of the electron, but with an opposite charge. In this way a pair is formed, called the exciton: on the one hand the electron, with a negative charge, and on the other the gap, with a positive charge; a little like it happens in a hydrogen atom, in which the positive nucleus, formed by a single proton, and the negative orbital electron are bound by the coulomb interaction. Precisely because of this possibility of considering the electron-hole pair as a single physical entity, the exciton is part of the large set of quasiparticles, term that refers to the state of excitation of a solid for different types of interactions.

Thanks to the concept of exciton, physicists are able to describe in a relatively simple way what happens inside condensed matter. In past decades, the problem was that there was no experimental method capable of distinguishing between exciton and a state of matter, the Peierls phase, with which it shares some observable characteristics, but not the formation of excitons.

Peter Abbamonte, University of Illinois, and colleagues have observed a compound known as titanium di-dicalcogenide diselenide (1T-TiSe2) thanks to a new spectroscopy observation technique, indicated by the acronym M-EELS, more sensitive to the detection of states excited about a material compared to conventional techniques.

Thanks to this new technique, the group was able for the first time to measure the collective excitations of electron-hole pairs, detecting a precursor signal of the phenomenon, which manifests itself when the material approaches the critical temperature of 190 kelvin (-83 degrees Celsius).

 

"This result is extremely important," explained Abbamonte. "Ever since the term 'exciton' was coined by Bert Halperin, Harvard University theoretician, physicists around the world have tried to prove his existence."

The hypotheses of possible applications are speculative; in any case it is a matter of adding another piece to the complex framework of knowledge of the most extreme phenomena occurring in condensed matter.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/12/13/news/eccitonio_dimostrato_sperimentalmente_stato_materia-3789475/?ref=nl-Le-Scienze_15-12-2017