Neutroner registrerer undvigende Higgs -amplitude -tilstand i kvantemateriale

Et team ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har brugt sofistikerede neutronspredningsteknikker til at detektere en undvigende kvantetilstand kendt som Higgs amplitude-tilstand i et todimensionalt materiale.

Higgs amplitude -tilstand er en kondenseret fætter til Higgs -bosonen, den opbevarede kvantepartikel teoretiseret i 1960'erne og bevist eksperimentelt i 2012. Det er en af ​​en række finurlige, kollektive stofmåder, der findes i materialer på kvante -niveau. Ved at studere disse tilstande, forskere i kondenseret materiale har for nylig afsløret nye kvantetilstande kendt som kvasipartikler, herunder Higgs -tilstand.

Disse undersøgelser giver unikke muligheder for at udforske kvantefysik og anvende dens eksotiske effekter i avancerede teknologier såsom spin-baseret elektronik, eller spintronics, og kvanteberegning.

"At ophidse et materiales kvantekvasipartikler på en måde, der giver os mulighed for at observere Higgs amplitude -tilstand, er ret udfordrende, "sagde Tao Hong, en instrumentforsker med ORNL's Quantum Condensed Matter Division.

Selvom Higgs amplitude -tilstand er blevet observeret i forskellige systemer, "Higgs -tilstanden bliver ofte ustabil og forfalder, forkorte muligheden for at karakterisere den, før du mister den af ​​syne, "Sagde Hong.

Det ORNL-ledede team tilbød en alternativ metode. Forskerne valgte en krystal sammensat af kobberbromid, fordi kobberionen er ideel til undersøgelse af eksotiske kvanteeffekter, Forklarede Hong. De begyndte den sarte opgave med at "fryse" materialets agiterende partikler på kvanteniveau ved at sænke dets temperatur til 1,4 Kelvin, hvilket er cirka minus 457,15 grader Fahrenheit.

Forskerne finjusterede eksperimentet, indtil partiklerne nåede fasen nær det ønskede kvantekritiske punkt-det søde sted, hvor kollektive kvanteeffekter spredte sig over store afstande i materialet, hvilket skaber de bedste betingelser for at observere en Higgs amplitude -tilstand uden henfald.

Med neutronspredning udført ved ORNL's High Flux Isotope Reactor, forskergruppen observerede Higgs -tilstanden med en uendelig levetid:ingen forfald.

"Der er en løbende debat i fysik om stabiliteten i disse meget sarte Higgs -tilstande, "sagde Alan Tennant, chefforsker ved ORNL's Neutron Sciences Directorate. "Dette eksperiment er virkelig svært at gøre, især i et todimensionalt system. Og, endnu, her er en klar observation, og det er stabiliseret. "

Forskerteamets observation giver ny indsigt i de grundlæggende teorier, der ligger til grund for eksotiske materialer, herunder superledere, ladningstæthed bølgesystemer, ultrakold bosoniske systemer og antiferromagneter.

"Disse gennembrud har stor indflydelse på vores forståelse af materialers adfærd i atomskala, "Tilføjede Hong.

Studiet, med titlen, "Direkte observation af Higgs-amplitude-tilstanden i en todimensionel kvante-antiferromagnet nær det kvantekritiske punkt, "blev offentliggjort i Naturfysik .