این یافته اهمیتی کیهانی دارد! از زمانی که واژۀ اکسایتونیوم (Excitonium) در دهۀ ۱۹۶۰ از سوی برت هالپرین (Bert Halperin) پیشنهاد شد؛ فیزیک‌دانان برای اثبات موجودیت آن تقلا کرده‌اند. نظریه‌های متعددی مبنی بر ماهیت اکسایتونیوم، مدت‌ها مورد بحث بوده است. عایق، ابررسانا (Superconductor) و ابرشاره (Superfluid) جزو محتمل‌ترین نظریه‌های مطرح شده بوده‌اند. از دهۀ ۱۹۷۰ به بعد، مطالعات متعدد، شواهدی از امکان وجود اکسایتونیوم ارائه نمودند؛ ولی یافته‌ها به اندازۀ کافی سندیت نداشتند و به راحتی می‌شد هر یک را با قضیۀ “تغییر فاز ساختاری” توجیه نمود.
پژوهشگران دانشگاه ایلی‌نوی (University of Illinois) به تازگی خبر از کشف حالت جدیدی از ماده به نام “اکسایتونیوم” (Excitonium) داده‌اند. این ماده از نوعی بوزون (Boson) تشکیل یافته است. بوزون نوعی ذرۀ مرکب است که به ماده اجازه می‌دهد در قالب ابرشاره، ابررسانا و یا حتی بلور الکترونیکی عایق عمل کند.
مقالۀ مرتبط: ابرجامد؛ فاز جدید ماده
پیتر آبامونته (Peter Abbamonte)، استاد فیزیک، و همکارانش در دانشگاه‌های ایلی‌نوی، کالیفرنیا و آمستردام طی همکاری همه‌جانبه‌ای که با هم داشتند، یک‌بار برای همیشه پرده از معمای وجودی این تئوری ۵۰ ساله برداشتند.
اکسایتونیوم چیست؟
اکسایتونیوم نوعی فاز چگالیده (Condensate) است. این بدین معنی است که محققان طی این با یک ترکیب جامد سروکار داشته‌اند. ولی چطور جامدی؟ اکسایتونیوم از ذراتی موسوم به “اکسایتون” (Exciton) تشکیل یافته، درست شبیه به آلومینیوم جامد که از کنار هم قرارگیری ذرات آلومینیوم حاصل می‌شود. با این حال، این اکسایتون‌ها طی فرآیند پیچیده‌ای به وجود می‌آیند که چندان شناخته نشده است.
جهت سهولت درک، اتم هیدروژن را در نظر بگیرید. هر اتم هیدروژن از یک الکترون و یک پروتون ساخته شده است. در سوی دیگر، ذره‌ای به نام اکسایتون را داریم که از مجموع “یک الکترون برانگیخته و فضای خالی ناشی از انتقال آن به تراز انرژی بالاتر” حاصل می‌شود. این فضای خالی، عملکردی مشابه به یک ذرۀ با بار مثبت دارد؛ بدین صورت که الکترون برانگیخته شده را دوباره به خود جذب می‌کند. چرخش الکترون پیرامون فضای خالی حاصل از انتقال – که فرآیندی شبیه به چرخش الکترون به دور پروتون است – اساس وجود اکسایتون محسوب می‌شود.
وجود آن چگونه اثبات شد؟
دانشمندان در طول این نیم قرن، به همان اندازه که از وجود اکسایتونیوم اطمینان داشتند، از اثبات آن ناتوان بودند. کاری که آبامونته و همکارانش انجام دادند ابداع تکنیکی مبتنی بر “پراکندگی الکترون” (Elecron-scattering) به منظور شناسایی اکسایتون، و در نهایت اکسایتونیوم بود. آن‌ها کار خود را در شرایط خلأ و روی سطحی یک‌نواخت آغاز نمودند. اساس این مطالعه، پرتاب الکترون به سطح مورد آزمایش جهت ایجاد موج (ناشی از پراکندگی الکترون) بود، مشابه همان حالتی که هنگام جهیدن روی ترامپولین روی می‌دهد.
از آن زمان تا کنون، پژوهشگران ابزار لازم را جهت افتراق دادن اکسایتونیوم از سایر حالت‌های ماده، در اختیار نداشتند. کلید موفقیت دانشمندان طی چند سال اخیر، توسعۀ روشی به نام M-EELS و یا Momentum-resolved Electron Energy Loss Spectroscopy بوده است. جهت آشنایی بیشتر با M-EELS می‌توانید به مقالات علمی منتشر شده در این زمینه مراجعه کنید.
تکنیک M-EELS که حساسیت بیشتری نسبت به برانگیزش باند ظرفیت (Valence band) دارد، به طور موفقیت‌آمیزی برای شناسایی دسته‌های اکسایتون – وضعیتی در فاز جامد که الکترون و فضای خالی در کنار هم قرار می‌گیرند – استفاده شد. این دسته‌های اکسایتون روی تیتانیوم دی‌سلنید (۱T-TiSe2)، نوعی دیکالکوژنید فلز انتقالی – چگالش یافته بودند.
طی آزمایش‌هایی که در لابراتوار تحقیقات روی مواد فردریک سایتز (Frederick Seitz Materials Research Laboratory) انجام شد، پژوهشگران بلورهای تقویت شده با تیتانیوم دی‌سلنید را مورد مطالعه قرار داده و موفق شدند برای ۵ بار روی بلورهای مختلف، نتیجۀ یکسان را به دست آورند.
هم‌اکنون که موجودیت اکسایتونیوم در آزمایش‌ها مشاهده و اثبات شده است، می‌توان با آرامش خاطر خصوصیات این فاز را بیشتر مورد بررسی قرار داد. به عنوان ابررسانا یا ابرشاره، آیندۀ هیجان‌انگیزی در انتظار اکسایتونیوم خواهد بود.
