Sciencemag.cz
Doporučujeme
Boseho-Einsteinův kondenzát je speciální, exotický kolektivní stav hmoty, kdy se částice chovají jako celek jako bosony, tj. neplatí pro ně vylučovací princip. Může jít např. o shluk atomů s celočíselným spinem. Částice mají stejnou (nejnižší možnou) energii a měly by vykazovat kvantové vlastnosti, i když jsou relativně velké.
Až dosud bylo toto zvláštní skupenství hmoty známé pouze za teplot blízko absolutní nuly. V roce 2001 byla udělena Nobelova cena za fyziku za realizaci Boseho-Einsteinova (BEC) kondenzátu z atomů rubidia při teplotě pouhých 20 nK.
Vědci z National University of Singapore nyní předpověděli, že Boseho-Einsteinův kondenzát může existovat i při relativně vysokých teplotách (kolem 50 až 100 K), a to sice v systémech tvořených organickými molekulami umístěnými na dvourozměrných polovodičových materiálech.
Quek Su Ying a její kolega Ulman Kanchan v nové studii uvádějí, že v tomto systému by kondenzující částice nebyly atomy, ale excitony – tedy páry elektron-díra. Excitony v systému vznikají ozářením světlem, které dodá energii potřebnou k dosažení excitovaného stavu. Elektron se nachází ve 2D polovodiči (sulfid molybdeničitý MoS2), zatímco díra v organické molekule (ftalocyanin zinku, ZnPc) nad ním. Tento typ se nazývá exciton s přenosem náboje (charge transfer exciton). Prostorové oddělení elektronu a díry spolu se silně vázanou povahou excitonů v těchto 2D materiálech způsobuje, že excitony se stávají nezvykle stabilními. Dlouhá životnost je pak rozhodující pro vznik BEC. Důležité je, že předpovězená teplota je mnohem vyšší než v kondenzátech z atomů. Má to tak fungovat proto, že maximální teplota Boseho-Einsteinova kondenzátu je nepřímo úměrná hmotnosti částic a hmotnost excitonů je mnohem menší než typická hmotnost atomů.
Stále jde ovšem pouze o předpověď. Návrhy na realizaci Boseho-Einsteinova kondenzátu ve 2D materiálech se objevily již dříve. Jedním z praktických problémů při realizaci BEC v těchto systémech však byla nutnost přesného zarovnání obou vrstev materiálu. Špatně zarovnané dvojvrstvy totiž hostí excitony s velkou hybností, které brání vzniku kondenzátu. Podle nové studie „v případě systémů organických 2D materiálů znamená úzká šířka pásma molekulárních stavů, že excitony s přenosem náboje mají velmi malou hybnost, což podporuje vznik BEC“. Jak dále uvádí prof. Quek, „organické molekuly, jako jsou ftalocyaniny přechodných kovů, snadno vytvářejí pravidelné, samouspořádané monovrstvy na 2D materiálech.“
Očekává se, že Boseho-Einsteinův kondenzát existující za „rozumných“ podmínek, realizovatelných snadněji než teplota těsně nad absolutní nulou, by mohl umožnit řadu nových technologií, který by např. využívaly supratekutosti.
Kanchan Ulman et al, Organic-2D Material Heterostructures: A Promising Platform for Exciton Condensation and Multiplication, Nano Letters (2021). DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03435
Zdroj: National University of Singapore / Phys.org a další
