To, co sprawia, że ułamkowe ekscytony są tak wyjątkowe, to fakt, że wymykają się one całkowicie konwencjonalnej klasyfikacji cząstek. W znanym nam świecie trzech wymiarów przestrzennych na co dzień mamy do czynienia z bozonami i fermionami. Każda z tych kategorii ma odrębne cechy, które decydują o tym, jak oddziałują one ze sobą i ze swoim otoczeniem. Ułamkowe ekscytony jednak ignorują tę klasyfikację, w efekcie czego zachowują się czasami jak bozony, czasami jak fermiony, a czasami nie przypominają ani jednych, ani drugich.
Czym jednak jest ekscyton? Można sobie wyobrazić elektron wyrwany ze swojego miejsca. W takim miejscu pozostaje po elektronie dodatnio naładowana dziura. Skoro dziura ma ładunek dodatni to przyciąga elektron, który zaczyna krążyć wokół niej. Taka właśnie para składająca się z elektronu i dziury to właśnie ekscyton.
Czytaj także: Ekscytujące zachowanie ekscytonów. Naukowcy dostrzegli coś kompletnie niespodziewanego
Takiem ekscytony mogą być generowane przez zjawisko znane jako kwantowy efekt Halla. Poddając materiał taki jak grafen działaniu ekstremalnie niskich temperatur i silnych pól magnetycznych, można wytworzyć napęcie boczne, które wzrasta w dyskretnych krokach.
Jeszcze ciekawiej dzieje się w przykadku ułamkowego efektu kwantowego Halla, gdzie poszczególne kroki przenoszą tylko ułamek ładunku elektronu. To przeczy bowiem intuicji, bowiem ładunek elektronu jest niepodzielny. Okazuje się jednak, że w przypadku kwazicząstek i ułamkowego efektu Halla mamy do czynienia z ułamkowymi ładunkami.
Jak można stworzyć ułamkowy ekscyton? Aby stworzyć tę nietypową kwazicząstkę naukowcy wykorzystwali dwie warstwy grafenu oddzielone od siebie warstwą azotku boru. Ta konfiguracja, poddana warunkom ułamkowego kwantowego efektu Halla, dała początek unikalnym ułamkowym ekscytonom.
Te nowe kwazicząstki mają pewne podobieństwa do innego typu kwazicząstek występujących w materiałach 2D, zwanych enionami, które występują w przestrzeni między bozonem a fermionem. Jednak ułamkowe ekscytony – a jakże! – wykazują również zachowania odmienne od enionów.
Naukowcy przyznają, że odkrycie nowych kwazicząstek może otworzyć wrota do zupełnie nowego rozumienia fizyki kwantowej. Unikalne właściwości nowych cząstek mogą z czasem doprowadzić do rozwoju nowych kwantowych faz materii – stanów materii o niezwykłych i potencjalnie użytecznych właściwościach.
Czytaj także: Wydajność ogniw słonecznych wystrzeli w górę. Japońscy inżynierowie dokonali wielkiego przełomu
Zważając na to, że ekscytony odgrywają kluczową rolę w wielu zastosowaniach technologicznych, także tych wykorzystujących półprzewodniki, możemy stać nawet u progu przełomu i rozwoju nowej generacji sprzętów elektronicznych. Jak na razie mamy do czynienia z pierwszym eksperymentalnym dowodem na istnienie ułamkowych ekscytonów. Teraz naukowcy skupią się na dokładnym poznawaniu ich właściwości i rozwoju ich potencjalnych zastosowań.