Kvanteusikkerhed hjælper med at løse et gammelt problem

At kontrollere, hvordan elektroner glider gennem et materiale, er af central betydning for at bygge nye elektroniske enheder. Hvordan den elektroniske bevægelse påvirkes af magnetiske felter er et gammelt problem, der ikke er fuldt løst, har dog allerede ført til adskillige fysik-nobelpriser. Nu, forskere ved Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg har løst et af de mangeårige problemer på området, nemlig hvordan en vis symmetri kan genoprettes. Deres resultater er netop offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Elektroner, der bevæger sig i et stærkt magnetfelt, udfører en cirkulær bevægelse på grund af Lorentz-kraften, som den elektromagnetiske induktion og den elektriske motor er baseret på. I kvantefladen af ​​atomisk tynde todimensionelle materialer, dette fører til mærkelige kvanteeffekter som heltallet og de fraktioneret kvantiserede Hall-effekter, som angiver, at antallet af Lorentz-afbøjede ladninger ikke er vilkårlige, men stiger i diskrete (kvantiserede) trin.

På trods af store fremskridt på området, den grundlæggende beskrivelse af, hvordan elektroner opfører sig i magnetiske felter, er forblevet noget ufuldstændig. "Der er et dybt problem her. Lad os sige, at jeg har en kæmpe magnetisk spole og genererer et felt, der er det samme overalt i rummet. Elektronerne i mit kvanteark burde føle den samme kraft overalt, " siger Vasil Rokaj, Ph.D. studerende i MPSD Theory Department og hovedforfatter af undersøgelsen. "Men standardlærebøger, der behandler magnetfeltet klassisk, kan ikke tage højde for dette fysiske krav, " tilføjer han.

Med et team af forskere ledet af MPSD Theory Director Angel Rubio og gruppeledere Michael Ruggenthaler og Michael Sentef, Rokaj og medforfatter Markus Penz satte sig for at udlede nye ligninger, der ville løse denne mangel. "Vi vidste oprindeligt ikke, hvad vi kunne forvente, " tilføjer Ruggenthaler. "Faktisk, vi var interesserede i et andet problem, nemlig hvordan et kvantiseret snarere end klassisk felt i et såkaldt hulrum påvirker den elektroniske bevægelse."

For at opnå dette, Rokaj måtte bruge kvanteelektrodynamikkens formalisme, som først blev udviklet i 1930'erne og 1940'erne for at beskrive, hvordan elektroner og fotoner interagerer. Da Rokaj nedskrev ligningerne for elektronerne i det faste stof, holdet indså, at der skete noget interessant. "Det magnetiske felt i en spole er sammensat af fotoner, så i princippet vi burde også være i stand til at beskrive det gamle problem med vores nye tilgang, " siger Ruggenthaler. "Overraskende nok, feltets kvanteusikkerhed (eller udsving), som normalt ikke tages i betragtning, hjælper med at genoprette den grundlæggende symmetri - at alt skal være det samme, uanset hvor i rummet vi kigger hen."

Angel Rubio tilføjer, "Disse bestræbelser beviser, at vi er på rette vej ved at tackle problemet på en fuldstændig kvante måde." I hans teoriafdeling, mange forskere arbejder med det storstilede problem med, hvordan fotoner ændrer stoffets egenskaber - fra nye kemiske reaktioner til materialer, der kan hjælpe med at bygge fremtidige kvantecomputere. "Dette arbejde beviser, at det altid er umagen værd at tage et nyt blik på gamle problemer, og for at tage udgangspunkt i de grundlæggende principper, " siger Rubio. "Jeg er sikker på, at yderligere overraskelser bare venter på at blive opdaget."