Nyt bevis på, at kvanteverdenen er endnu mærkeligere, end vi troede

Nye eksperimentelle beviser for en kollektiv opførsel af elektroner til at danne "kvasipartikler" kaldet "anyoner" er blevet rapporteret af et hold videnskabsmænd ved Purdue University.

Enhver har egenskaber, der ikke ses i andre subatomære partikler, herunder udstilling af fraktioneret ladning og fraktioneret statistik, der opretholder en "hukommelse" af deres interaktioner med andre kvasipartikler ved at inducere kvantemekaniske faseændringer.

Postdoc-forsker James Nakamura, med bistand fra forskergruppemedlemmer Shuang Liang og Geoffrey Gardner, gjorde opdagelsen, mens han arbejdede i professor Michael Manfras laboratorium. Manfra er en fremtrædende professor i fysik og astronomi, Purdue's Bill og Dee O'Brien formand for professor i fysik og astronomi, professor i elektro- og computerteknik, og professor i materialeteknik. Selvom dette arbejde i sidste ende kan vise sig at være relevant for udviklingen af ​​en kvantecomputer, for nu, Manfra sagde, det skal betragtes som et vigtigt skridt i forståelsen af ​​kvasipartiklernes fysik.

En forskningsartikel om opdagelsen blev offentliggjort i denne uges Naturfysik .

Nobelprisvindende teoretisk fysiker Frank Wilczek, professor i fysik ved MIT, gav disse kvasipartikler tungen-i-kinden navnet "anyon" på grund af deres mærkelige adfærd, fordi i modsætning til andre typer partikler, de kan vedtage "en hvilken som helst" kvantefase, når deres positioner udveksles.

Før de voksende beviser for nogen i 2020, fysikere havde kategoriseret partikler i den kendte verden i to grupper:fermioner og bosoner. Elektroner er et eksempel på fermioner, og fotoner, som udgør lys og radiobølger, er bosoner. En karakteristisk forskel mellem fermioner og bosoner er, hvordan partiklerne virker, når de sløjfes, eller flettet, omkring hinanden. Fermioner reagerer på en ligetil måde, og bosoner på en anden forventet og ligetil måde.

Enhver reagerer, som om de har en fraktionel ladning, og endnu mere interessant, skabe en ikke-triviel faseændring, når de fletter rundt om hinanden. Dette kan give nogen en type "hukommelse" af deres interaktion.

"Anyoner eksisterer kun som kollektive excitationer af elektroner under særlige omstændigheder, " sagde Manfra. "Men de har disse påviselig cool egenskaber, herunder fraktioneret ladning og fraktioneret statistik. Det er sjovt, fordi du tror, 'Hvordan kan de have mindre ladning end en elektrons elementære ladning?' Men det gør de."

Manfra sagde, at når bosoner eller fermioner udveksles, de genererer en fasefaktor på enten plus én eller minus én, henholdsvis.

"I tilfældet med vores anyons var fasen genereret af fletning 2π/3, sagde han. Det er anderledes end hvad man før har set i naturen.

Enhver viser kun denne adfærd som kollektive mængder af elektroner, hvor mange elektroner opfører sig som én under meget ekstreme og specifikke forhold, så de menes ikke at blive fundet isoleret i naturen, sagde Nakamura.

"Normalt i fysikkens verden, vi tænker på fundamentale partikler, såsom protoner og elektroner, og alle de ting, der udgør det periodiske system, " sagde han. "Men vi studerer eksistensen af ​​kvasipartikler, som dukker op fra et hav af elektroner, der er placeret under visse ekstreme forhold."

Fordi denne adfærd afhænger af antallet af gange, partiklerne flettes, eller sløjfet, omkring hinanden, de er mere robuste i deres egenskaber end andre kvantepartikler. Denne egenskab siges at være topologisk, fordi den afhænger af systemets geometri og i sidste ende kan føre til meget mere sofistikerede enhver struktur, der kunne bruges til at bygge stabile, topologiske kvantecomputere.

Holdet var i stand til at demonstrere denne adfærd ved at dirigere elektronerne gennem en specifik labyrintlignende ætset nanostruktur lavet af galliumarsenid og aluminium galliumarsenid. Denne enhed, kaldet et interferometer, begrænsede elektronerne til at bevæge sig i en todimensionel bane. Enheden blev afkølet til inden for en hundrededel af en grad fra det absolutte nulpunkt (10 millikelvin), og udsat for et kraftigt 9-Tesla magnetfelt. Den elektriske modstand af interferometeret genererede et interferensmønster, som forskerne kaldte et "pyjamasplot." Spring i interferensmønsteret var signaturen på tilstedeværelsen af ​​nogen.

"Det er absolut en af ​​de mere komplekse og komplicerede ting, der skal gøres i eksperimentel fysik, "Chetan Nayak, teoretisk fysiker ved University of California, Santa Barbara fortalte Science News.

Nakamura sagde, at faciliteterne i Purdue skabte miljøet for, at denne opdagelse kunne ske.

"Vi har teknologien til at dyrke den galliumarsenid-halvleder, der er nødvendig for at realisere vores elektronsystem. Vi har nanofabrikationsfaciliteterne i Birck Nanotechnology Center til at lave interferometeret, den enhed, vi brugte i vores eksperimenter. I fysikafdelingen, vi har evnen til at måle ultralave temperaturer og skabe stærke magnetfelter." sagde han. "Så, vi har alle de nødvendige komponenter, der gjorde det muligt for os at gøre denne opdagelse her på Purdue. Det er en stor ting ved at forske her, og hvorfor vi har været i stand til at gøre dette fremskridt."

Manfra sagde, at det næste skridt i kvasipartikelgrænsen vil involvere at bygge mere komplicerede interferometre.

"I de nye interferometre vil vi have mulighed for at kontrollere placeringen og antallet af kvasipartikler i kammeret, " sagde han. "Så vil vi være i stand til at ændre antallet af kvasipartikler inde i interferometeret efter behov og ændre interferensmønsteret, som vi vælger."