Американські фізики відкрили ще одне агрегатний стан матерії. Воно утворюється при наднизьких температурах. Породжують ж його загадкові квазічастинки - екситон, що складаються з електрона і позитивно зарядженої дірки. Новий стан назвали когерентним екситонів газом. Вивчення його властивостей допоможе вченим створити мікроелектронні транзистори. 
Матерію ввели в новий стан
Звичайна людина, якщо його запитати, скільки буває агрегатних станів речовини, без утруднень назве три: тверде, рідке і газоподібне. Така відповідь цілком закономірний - кожен має справу в побуті саме з цими трьома станами води (все бачать пар киплячого чайника, лід в морозилці і рідку воду, що ллється з крана). Ті ж, хто ще не забув шкільні уроки фізики, скаже, що є і четвертий стан речовини - плазма. Яке, до речі, ми теж спостерігаємо в побуті - це будь-який полум'я, а також фон в плазмових панелях.
Однак мало хто назве такі агрегатні стану, як конденсати Бозе-Ейнштейна і ферміони, сверхкритический флюїд і різні варіанти вироджених матерії. А все тому, що ці агрегатні стани неможливо спостерігати в звичайному житті. Ну, скажіть, де можна побачити газ, що складається з частинок бозонів, до того ж охолоджений до температури абсолютного нуля (це і є конденсат Бозе-Ейнштейна)? І навряд чи хто-небудь використовує для приготування їжі газ, що складається з куперовских електронних пар, тобто поєднань електронів з протилежними імпульсами і спинами (це вже ферміонами конденсат).
Також нікому з нас не під силу підняти одночасно температуру і тиск газу до критичної точки, щоб отримати агрегатний стан - сверхкритический флюїд, в якому речовина одночасно має властивості як газу, так і рідини. Немає у простих смертних і можливості створити настільки потужну гравітацію, щоб звичайну матерію перетворити в вироджену (наприклад, всі елементарні частинки при цьому перетворяться в нейтрони) - на це здатні лише "вмираючі" коллапсирующие зірки.
Отже, як бачите, насправді агрегатних станів речовини куди більше, ніж чотири. І ось недавно до цієї "сімейці" додалося ще одне - когерентний екситонні газ. Його відкрила група фізиків під керівництвом професора Леоніда Бутова з Каліфорнійського університету Сан-Дієго (США). Вчені виявили це стан, вивчаючи процес утворення так званих екситонних крапель.
Читайте також: Надпровідність є! Енергії вистачить усім
Нагадаю, що Ексітоном називають квазічастинку (освіта з декількох частинок, які поводяться як єдине ціле), що складається з електрона і ... дірки. Ну що за "звір" електрон - це зрозуміло, а діркою в даному випадку фізики називають місце в електронній оболонці, де електрон відсутній (таке часто спостерігається в напівпровідниках, чиєю структурою є кристалічна решітка). Причому це дірка поводиться зовсім не як пусте місце, а як позитивно заряджена квазічастинка.
Утворюються дірки в такий спосіб: якщо з якихось причин електрон раптом піде з атома, то останній набуває позитивний заряд, а той рівень, звідки пішов електрон, залишається або порожнім (якщо він там був один), або неповним. Як правило, такі дірки довго не живуть - позитивний іон може притягувати електрон назад, і він знову займає ту саму дірку. Однак, іноді трапляється, що між діркою і покинув її електроном з'являється якесь взаємодія. Ось тоді-то і утворюється вищезгаданий екситон.
Найчастіше це відбувається при досить низьких температурах. Причому взаємне тяжіння, яке утримує електрон і дірку разом, додає екситонами властивості, що відрізняються від властивостей електрона і дірки поотдельности. Тобто утворюється якась частка, яка не є ні електроном, ні діркою.
Але повернемося до експерименту американських вчених. Ще в 2002 році Леонід Бутов припустив, що охолоджені майже до абсолютного нуля екситон мають тенденцію до самоорганізації. Вони як би шикуються в ряд, утворюючи структуру, що нагадує намисто з мікроскопічних крапель. Це було підтверджено серією дослідів, проте тоді охолодження не було достатнім - ці самі "намиста" існували досить недовго.
Недавні ж досліди протікали наступним чином: спочатку були створені екситон. Їх отримали завдяки впливу лазера на зразки арсеніду галію (ця сіль широко використовується в транзисторах звичайних стільникових телефонів). В результаті вийшли чіткі пари з негативно зарядженого електрона, який лазер вибивав зі своєї орбіти, і позитивної дірки - тобто екситона. Далі дослідники охолодили зразки до температур нижче, ніж один градус Кельвіна (який дорівнює, як ми пам'ятаємо, -272,15 градусів за Цельсієм).
Як відзначають дослідники в своїй роботі, особливо складним було домогтися, щоб екситон існували хоч якийсь час - адже електрон постійно прагне зайняти дірку і, тим самим, зруйнувати квазічастинку. Для того, щоб цьому запобігти, групі Бутова довелося використовувати наночастинки, що створюють так звані "квантові ями" (завдяки яким все скопище екситонів тимчасово переходить з тривимірного в двовимірне, тобто плоске стан). Таким чином "намиста" проіснували близько 50 наносекунд - а за цей час екситон встигали охолонути.
В результаті електрони і дірки все-таки зливалися і при цьому випускали світло. Його-то і вдавалося зафіксувати за допомогою складної системи дзеркал - інтерферометра. Більш того, інтерферометр дозволяв розділити цей пучок світла на два просторових компонента, характеристики яких дослідники і вивчали.
Ну, і який же результат цих складних маніпуляцій? Насправді, дуже обнадійливий. Все вийшло, як і в 2002 році, - гарненько "замерзнувши", екситон утворили "намиста". Вони проіснували достатньо часу, і вчені змогли виміряти їх когерентність (тобто узгоджене перебіг декількох хвильових процесів) і спини (момент імпульсу елементарних частинок). В результаті з'ясувалося, що коливання всіх екситонів, що становлять краплі, дійсно узгоджені. Тобто вони поводяться як єдине ціле, а значить, когерентний екситонні газ дійсно можна вважати особливим агрегатним станом матерії.
"Побачити такі структури було сюрпризом. А ще більшим сюрпризом стали вимірювання поляризації, що показали, що між когерентністю і поляризацією існує сильна кореляція" - так прокоментував результати роботи провідний дослідник доктор Алекс Хай. А Леонід Бутов додав, що хоч і фізика екситонів - сама по собі цікава дисципліна, тим не менш, вивчення властивостей цих квазічастинок має і практичну спрямованість. Адже зараз йдуть розробки екситонних транзисторів, розмір яких буде дорівнює атому або навіть ще менше. Такі пристрої змогли б стати основою мікроелектроніки майбутнього.
Читайте також: Ми будемо спілкуватися, як герої "Зоряних воєн"
Однак все це поки що лише в перспективі, а зараз же стало ясно, що при охолодженні екситон можуть давати нове агрегатний стан матерії. Вчені мають намір куди більш детально вивчити когерентний екситонні газ і подивитися, якими ще якостями він володіє. Раптом там є щось дуже корисне для повсякденного життя ...
Читайте найцікавіше в рубриці "Наука і техніка"
Ну, скажіть, де можна побачити газ, що складається з частинок бозонів, до того ж охолоджений до температури абсолютного нуля (це і є конденсат Бозе-Ейнштейна)?Ну, і який же результат цих складних маніпуляцій?