Пятое состояние вещества становится все горячее

Кристалл замороженного неона (красный), в котором свет возбуждает экситон (вверху).

Выходец с субконтинента Индии Шатьендранат Бозе – один из пионеров квантовой физики. Вместе с Альбертом Эйнштейном он предположил, что при достаточном приближении к абсолютному нулю температуры (минус 273 градуса по Цельсию) атомы утеряют тепловую подвижность и начнут образовывать «сгусток» (как тромб в сосуде). То есть происходит фазовый переход, после которого длина волны подвижных атомов сравнивается с расстоянием между ними.

В память об этом теоретическом прозрении оно получило имя «конденсат Бозе–Эйнштейна» (ВЕС). Экспериментально он был получен для тяжелых атомов рубидия лишь в 1995 году, за что в 2001-м была присуждена Нобелевская премия. Для более легкого гелия, который вблизи абсолютного нуля обретает сверхтекучесть, дали название «жидкость Бозе». А возбуждения в ней получили названия «квазичастицы». Они возникают в среде на краткий миг, что затрудняет их измерение. Пример – фононы, или механически упругие колебания среды, например воздушной, передающей звуковые колебания, или кристаллической решетки твердого тела.

В проводниках все намного проще, поскольку приложенное к ним напряжение порождает ЭДС, или электродвижущую силу. Именно она заставляет электроны «бежать» в проводе – ток, возникший под действием разности потенциалов на концах проводника. ЭДС может возникать под действием переменного магнитного поля или даже разности температур и света.

Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору Нобелевские премии вручили с разницей в год. Творец общей теории относительности был уверен, что электрон должен «упасть» на ядро. А вот датчанин Бор постулировал тепловую подпитку электрона, который постоянно возбуждается и переходит на более высокий энергетический уровень. Пребывание на нем кратковременно, поэтому заряд быстро возвращается в исходное состояние, испуская при этом фотон, то есть квант света.

Эйнштейн получил премию за описание того, как свет взаимодействует с твердым телом, выбивая из него электроны. Этот эффект лежит в основе работы фотоэлементов. Аналогом процесса является фотосинтез, в ходе которого также происходит «выбивание» электрона с орбиты марганца. Физики сегодня могут только мечтать об эффективности фотосинтеза.

Двумерная гетероструктура для генерирования высокотемпературного экситонного конденсата Бозе–Эйнштейна.  Иллюстрации Physorg

Экситон также можно причислить к экзотическим атомам, поскольку он «равен» водороду, так как имеет такой элементарный положительный заряд. Причем если вокруг протона вращается электрон, то по аналогии у экситона присутствует квантовый «аромат» (flavor).

Экситоны могут пребывать также в виде электрон-дырочной плазмы и жидких капель (liquid droplets). Это, кстати, открывает новые перспективы использования экситонных ВЕС.

Получение экситонного конденсата означает еще один шаг к квантовой информатике и компьютерам. Одно дело – тяжелые атомы рубидия, охлаждать которые приходится до 20 нано-Кельвинов, а другое – 64 милли-Кельвина: разница на семь порядков! К тому же в 2021 году Университет Сингапура предсказал получение высокотемпературного ВЕС: при 950–100 Кельвинов (от +677 до –173 по Цельсию)! Достигается это с помощью гетероструктуры из сульфида молибдена (MoS2) и органического цинка (ZnPc, фталоцианин). Статья ученых, которая называлась «Трансфер экситонного заряда в органических 2D гетероструктрах», была опубликована в журнале Nano Letters.

Остается надеяться, что предвидение сингапурцев не потребует 100 лет для своего физического воплощения.