excitons

Excitonium is een vreemde vorm van materie, die 50 jaar geleden voorspeld is maar nu pas ontdekt is. Maar wat is excitonium precies?.En wat zouden er er mee kunnen doen?

Wat is excitonium?
Excitonium bestaat uit excitons.
Excitons zijn pseudodeeltjes, die bestaan uit een elektron en het gat, dat het elektron achter heeft gelaten in het kristalrooster. Meestal verwijderen elektronen zich ver van het gat dat ze achterlaten. Bij excitonen is dat anders. De elektronen blijven rond het gat hangen en vormen, met het gat, een soort pseudo-atoom. Kwantumeffecten zijn afhankelijk zijn van de massa – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg stelt onder meer dat hoe groter de bewegingssnelheid, hoe kleiner de onzekerheid van de plaats. (er zijn andere relaties, bijvoorbeeld die tussen massa en tijd, maar die vallen buiten het bestek van dit artikel). De lage snelheid van de elektronen en gaten in de exciton-pseudo-atomen, betekent dat ze een enorme grootte hebben – denk aan tientallen malen de grootte van een ‘normaal’ atoom. Nu wordt het interessant. Want als kwantumsystemen elkaar overlappen, vormen ze een condensaat. Dat wil zeggen, dat ze zich gaan gedragen als een enkel systeem. Als het systeem groot is, kan je kwantumeffecten op macroscopische schaal ontdekken. Het bekendste voorbeeld van een kwantum condensaat is een supervloeistof.

Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen plat, op een oppervlakte. Ook interessant is, dat deze, zaten zich vormen op relatief hoge temperatuur: 190° boven het absolute nulpunt (190 kelvin, -83 graden). Dit is hoger dan de temperatuur van vaste kooldioxide, droge ijs. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, worden toepassingen op kamertemperatuur mogelijk. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen.

Wat kan je er mee?
Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen in platte vorm, als oppervlakte. Dit is het eerste bulk-excitonium ooit. Ook interessant is, dat dit excitonium zich vormt op relatief hoge temperatuur: (190 kelvin, -80 graden). Dit is de temperatuur van vloeibare kooldioxide. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, komen toepassingen op kamertemperatuur dichterbij. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen. Theoretische voorspellingen lopen nogal uiteen over de eigenschappen van de substantie. Volgens sommigen is het een perfecte geleider, volgens anderen een isolator. In het eerste geval hebben we supergeleiding op kamertemperatuur. Ook superwarmtegeleiding zou een erg interessante toepassing zijn. Dan zou je warmteleidingen kunnen aanleggen, waarbij het niet meer nodig is om vloeistoffen te laten stromen. Voordat hier iets met zekerheid over te zeggen, moeten er experimenten worden gedaan met het nieuwe materiaal. Dat is nu eindelijk mogelijk. De ervaring leert dat ook fundamentele ontdekkingen die op het eerste gezicht niet nuttig lijken, vaak later een goudmijn voor nieuwe technologieop te leveren. Zo werd van de laser, die nu in tienduizenden producten is terug te vinden, gezegd dat het een vinding was dat wachtte op een toepassing.

Bron
A. Kogar et al., Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide, Science 08 Dec 2017:
Vol. 358, Issue 6368, pp. 1314-1317 DOI: 10.1126/science.aam6432 Arxiv