Fysikere udvikler en enhed, der kan give afgørende beviser for eksistensen (eller ej) af ikke-abiske nogen

Hvilken slags 'partikler' er tilladt af naturen? Svaret ligger i teorien om kvantemekanik, som beskriver den mikroskopiske verden.

I et forsøg på at strække grænserne for vores forståelse af kvanteverdenen, UC Santa Barbara-forskere har udviklet en enhed, der kunne bevise eksistensen af ​​ikke-abiske nogen, en kvantepartikel, der er matematisk forudsagt at eksistere i todimensionelt rum, men indtil videre ikke endeligt vist. Eksistensen af ​​disse partikler ville bane vejen mod store fremskridt inden for topologisk kvanteberegning.

I en undersøgelse, der står i tidsskriftet Natur , fysiker Andrea Young, hans kandidatstuderende Sasha Zibrov og deres kolleger har taget et spring i retning af at finde afgørende beviser for ikke-abiske nogen. Ved hjælp af grafen, et atomisk tyndt materiale afledt af grafit (en form for kulstof), de udviklede en ekstremt lav defekt, meget tunerbar enhed, hvor ikke-abilianske nogen skulle være meget mere tilgængelige. Først, lidt baggrund:I vores tredimensionelle univers, elementarpartikler kan enten være fermioner eller bosoner:tænk på elektroner (fermioner) eller Higgs (en boson).

"Forskellen mellem disse to typer 'kvantestatistik' er grundlæggende for, hvordan stof opfører sig, " sagde Young. F.eks. fermioner kan ikke indtage den samme kvantetilstand, giver os mulighed for at skubbe elektroner rundt i halvledere og forhindre neutronstjerner i at kollapse. Bosoner kan besætte den samme stat, fører til spektakulære fænomener som Bose-Einstein-kondensering og superledningsevne, forklarede han. Kombiner et par fermioner, såsom protoner, neutroner, og elektroner, der udgør atomer, og du kan få begge typer, men undgå aldrig dikotomien.

I et todimensionelt univers, imidlertid, fysikkens love giver mulighed for en tredje mulighed. Kendt som "anyons, "denne type kvantepartikler er hverken en boson eller en fermion, men snarere noget helt andet – og nogle slags enhver, kendt som ikke-abiske nogen, bevare et minde om deres tidligere tilstande, kodning af kvanteinformation over lange afstande og danner de teoretiske byggesten til topologiske kvantecomputere.

Selvom vi ikke lever i et todimensionelt univers, når den er begrænset til en meget tynd plade eller plade af materiale, elektroner gør. I dette tilfælde, enhver kan dukke op som "kvasipartikler" fra korrelerede tilstande af mange elektroner. At forstyrre et sådant system, sige med et elektrisk potentiale, fører til, at hele systemet omarrangeres, ligesom om en nogen havde flyttet sig.

Jagten på ikke-abiske nogen begynder med at identificere de kollektive stater, der er vært for dem. "I fraktioneret kvante Hall-tilstande - en type kollektiv elektrontilstand, der kun observeres i todimensionelle prøver ved meget høje magnetiske felter - vides kvasipartiklerne at have præcis en rationel fraktion af elektronladningen, antyder, at de er nogen, " sagde Young.

"Matematisk, jo da, Ikke-Abelske statistikker er tilladt og endda forudsagt for nogle fraktionerede kvante Hall-tilstande." fortsatte han. Men, videnskabsmænd på dette område har været begrænset af værtsstaternes skrøbelighed i halvledermaterialet, hvor de typisk studeres. I disse strukturer, de kollektive stater selv optræder kun ved usædvanligt lave temperaturer, hvilket gør det dobbelt vanskeligt at udforske individuelle nogens unikke kvanteegenskaber.

Grafen viser sig at være et ideelt materiale til at bygge enheder til at søge efter de undvigende nogen. Men, mens videnskabsmænd havde bygget grafen-baserede enheder, andre materialer, der omgiver grafenarket - såsom glassubstrater og metalliske porte - introducerede nok uorden til at ødelægge alle signaturer fra ikke-abiske stater, Zibrov forklarede. Grafen er fint, det er miljøet der er problemet han sagde.

Løsningen? Mere atomisk tyndt materiale.

"Vi har endelig nået et punkt, hvor alt i enheden er lavet af todimensionelle enkeltkrystaller, " sagde Young. "Så ikke kun selve grafenen, men dielektrikkerne er enkeltkrystaller af hexagonalt bornitrid, der er flade og perfekte, og portene er enkeltkrystaller af grafit, som er flade og perfekte." Ved at justere og stable disse flade og perfekte krystaller af materiale oven på hinanden, holdet opnåede ikke kun et system med meget lav lidelse, men en, der også er ekstremt indstillelig.

"Udover at realisere disse tilstande, vi kan indstille mikroskopiske parametre på en meget velkontrolleret måde og forstå, hvad der gør disse tilstande stabile, og hvad der destabiliserer dem, " sagde Young. Den fine grad af eksperimentel kontrol - og eliminering af mange ukendte - gjorde det muligt for teamet at teoretisk modellere systemet med høj nøjagtighed, opbygge tillid til deres konklusioner.

Materialernes fremskridt giver disse skrøbelige excitationer en vis grad af robusthed, med de nødvendige temperaturer næsten ti gange højere end nødvendigt i andre materialesystemer. At bringe ikke-abelske statistikker ind i et mere bekvemt temperaturområde viser en mulighed for ikke kun undersøgelser af fundamental fysik, men genopliver håbet om at udvikle en topologisk kvantebit, som kunne danne grundlag for en ny slags kvantecomputer. Ikke-abiske nogen er specielle ved, at de menes at være i stand til at behandle og lagre kvanteinformation uafhængigt af mange miljøpåvirkninger, en stor udfordring i at realisere kvantecomputere med traditionelle midler.

Men, siger fysikerne, første ting først. Direkte måling af kvanteegenskaberne af de emergent kvasipartikler er meget udfordrende, Zibrov forklarede. Mens nogle egenskaber - såsom fraktioneret ladning - er blevet definitivt påvist, endegyldigt bevis for ikke-abelske statistikker - meget mindre udnyttelse af nonabelske nogen til kvanteberegning - er forblevet langt uden for eksperimenters rækkevidde. "Vi ved ikke rigtig eksperimentelt endnu, om der findes ikke-abiske nogen, " sagde Zibrov.

"Vores eksperimenter indtil videre er i overensstemmelse med teori, som fortæller os, at nogle af de stater, vi observerede, burde være ikke-abiske, men vi har stadig ikke en eksperimentel rygende pistol."

"Vi vil gerne have et eksperiment, der faktisk demonstrerer et fænomen, der er unikt for ikke-abelsk statistik, " sagde Young, som har vundet adskillige priser for sit arbejde, herunder National Science Foundations CAREER Award. "Nu hvor vi har et materiale, som vi forstår rigtig godt, der er mange måder at gøre dette på - vi får se, om naturen samarbejder!"