Kigger ind i en verden af ​​spin-3/2 materialer

Forskere har skubbet grænserne til kvanteverdenen i over et århundrede. Og gang på gang, spin har været en rig kilde til ny fysik.

Spin, som masse og elektrisk ladning, er en iboende egenskab for kvantepartikler. Det er centralt for at forstå, hvordan kvanteobjekter vil reagere på et magnetfelt, og det opdeler alle kvanteobjekter i to typer. De halvt heltal, ligesom spin-1/2-elektronen, nægter at dele den samme kvantetilstand, hvorimod de helt tal, ligesom spin-1 foton, ikke har problemer med at hygge sammen. Så, spin er afgørende, når man går i dybden med stort set ethvert emne, der styres af kvantemekanik, fra Higgs Boson til superledere.

Men efter næsten et århundrede med at spille en central rolle i kvanteforskning, spørgsmål om spin forbliver. For eksempel, hvorfor har alle de elementære partikler, som vi kender til, kun spin -værdier på 0, 1/2, eller 1? Og hvilken ny adfærd kan eksistere for partikler med spin -værdier større end 1?

Det første spørgsmål kan forblive et kosmisk mysterium, men der er muligheder for at udforske det andet. Indvendigt i et materiale, en partikels omgivelser kan få den til at opføre sig som om den har en ny centrifugeringsværdi. I de sidste par år, forskere har opdaget materialer, hvor elektroner opfører sig som om deres spin er blevet stødt op, fra 1/2 til 3/2. JQI postdoktorforsker Igor Boettcher udforskede den nye adfærd, disse spins kan frembringe i et nyligt papir, der blev omtalt på forsiden af ​​Physical Review Letters.

I stedet for at se på et bestemt materiale, Boettcher fokuserede på den matematik, der beskriver interaktioner mellem spin-3/2 elektroner ved lave temperaturer. Disse elektroner kan interagere på flere måder end deres verdslige spin-1/2-modstykker, som låser op for nye faser - eller kollektiv adfærd - som forskere kan kigge efter i eksperimenter. Boettcher sigtede gennem de mulige faser, søger efter dem, der sandsynligvis vil være stabile ved lave temperaturer. Han så på, hvilke faser der binder mindst energi i interaktionerne, da temperaturen falder, bliver et materiale mest stabilt i formen, der indeholder mindst energi (f.eks. damp, der kondenserer til flydende vand og til sidst fryser til is).

Han fandt tre lovende faser at jage efter i forsøg. Hvilken af ​​disse faser, hvis nogen, opstår i et bestemt materiale vil afhænge af dets unikke egenskaber. Stadig, Boettchers forudsigelser giver forskere signaler, de skal holde øje med under eksperimenter. Hvis en af ​​faserne dannes, han forudsiger, at almindelige måleteknikker vil afsløre et signaturskift i de elektriske egenskaber.

Boettchers arbejde er et tidligt skridt i udforskningen af ​​spin-3/2-materialer. Han håber, at feltet en dag kan være sammenligneligt med grafen, med forskere, der løbende kører efter at udforske ny fysik, producere materialer af bedre kvalitet, og identificere nye transportejendomme.

”Jeg håber virkelig, at dette vil udvikle sig til et stort felt, hvilket vil kræve, at både eksperimentelle og teoretikere gør deres del, så vi virkelig kan lære noget om spin-3/2-partiklerne og hvordan de interagerer. "siger Boettcher." Dette er virkelig bare begyndelsen lige nu, fordi disse materialer bare dukkede op. "