Opdagelse af kvanteadfærd i isolatorer antyder mulige nye partikler

I en overraskende opdagelse, Princeton-fysikere har observeret en uventet kvanteadfærd i en isolator lavet af et materiale kaldet wolfram-ditellurid. Dette fænomen, kendt som kvanteoscillation, er typisk observeret i metaller snarere end isolatorer, og dens opdagelse giver ny indsigt i vores forståelse af kvanteverdenen. Resultaterne antyder også eksistensen af ​​en helt ny type kvantepartikler.

Opdagelsen udfordrer en langvarig skelnen mellem metaller og isolatorer, fordi i den etablerede kvanteteori om materialer, isolatorer mentes ikke at kunne opleve kvantesvingninger.

"Hvis vores fortolkninger er korrekte, vi ser en fundamentalt ny form for kvantestof, " sagde Sanfeng Wu, assisterende professor i fysik ved Princeton University og seniorforfatter til en nylig artikel i Natur beskriver denne nye opdagelse. "Vi forestiller os nu en helt ny kvanteverden skjult i isolatorer. Det er muligt, at vi simpelthen savnede at identificere dem i løbet af de sidste mange årtier."

Observation af kvanteoscillationer har længe været betragtet som et kendetegn for forskellen mellem metaller og isolatorer. I metaller, elektroner er meget mobile, og resistiviteten - modstanden mod elektrisk ledning - er svag. For næsten et århundrede siden, forskere observerede, at et magnetfelt, kombineret med meget lave temperaturer, kan få elektroner til at skifte fra en "klassisk" tilstand til en kvantetilstand, forårsager svingninger i metalets resistivitet. I isolatorer, derimod, elektroner kan ikke bevæge sig, og materialerne har meget høj resistivitet, så denne slags kvantesvingninger forventes ikke at forekomme, uanset styrken af ​​det anvendte magnetiske felt.

Opdagelsen blev gjort, da forskerne studerede et materiale kaldet wolfram ditelluride, som de lavede til et todimensionelt materiale. De forberedte materialet ved at bruge standard scotch tape til i stigende grad at eksfoliere, eller "barber, " lagene ned til det, der kaldes et monolag - et enkelt atom-tyndt lag. Tykt wolfram-ditellurid opfører sig som et metal. Men når det først er omdannet til et monolag, det bliver en meget stærk isolator.

"Dette materiale har en masse specielle kvanteegenskaber, " sagde Wu.

Forskerne gik derefter i gang med at måle resistiviteten af ​​monolag wolfram-ditellurid under magnetiske felter. Til deres overraskelse, isolatorens resistivitet, på trods af at den er ret stor, begyndte at svinge, da magnetfeltet blev øget, indikerer skiftet til en kvantetilstand. Træde i kræft, materialet - en meget stærk isolator - udviste den mest bemærkelsesværdige kvanteegenskab ved et metal.

"Dette kom som en komplet overraskelse, " sagde Wu. "Vi spurgte os selv, 'Hvad sker der her?' Vi forstår det ikke helt endnu."

Wu bemærkede, at der ikke er aktuelle teorier til at forklare dette fænomen.

Ikke desto mindre, Wu og hans kolleger har fremsat en provokerende hypotese - en form for kvantemateriale, der er neutralt ladet. "På grund af meget stærke interaktioner, elektronerne organiserer sig for at producere denne nye slags kvantestof, " sagde Wu.

Men det er i sidste ende ikke længere elektronerne, der oscillerer, sagde Wu. I stedet, forskerne mener, at nye partikler, som de har døbt "neutrale fermioner, " er født ud af disse stærkt interagerende elektroner og er ansvarlige for at skabe denne meget bemærkelsesværdige kvanteeffekt.

Fermioner er en kategori af kvantepartikler, der inkluderer elektroner. I kvantematerialer, ladede fermioner kan være negativt ladede elektroner eller positivt ladede "huller", der er ansvarlige for den elektriske ledning. Nemlig hvis materialet er en elektrisk isolator, disse ladede fermioner kan ikke bevæge sig frit. Imidlertid, partikler, der er neutrale – dvs. hverken negativt eller positivt ladet - er teoretisk muligt at være til stede og mobil i en isolator.

"Vores eksperimentelle resultater er i konflikt med alle eksisterende teorier baseret på ladede fermioner, " sagde Pengjie Wang, co-first author on the paper and postdoctoral research associate, "men kunne forklares i nærvær af ladningsneutrale fermioner."

Princeton-holdet planlægger yderligere undersøgelse af kvanteegenskaberne af wolframditellurid. De er særligt interesserede i at opdage, om deres hypotese - om eksistensen af ​​en ny kvantepartikel - er gyldig.

"Dette er kun udgangspunktet, " sagde Wu. "Hvis vi har ret, fremtidige forskere vil finde andre isolatorer med denne overraskende kvanteegenskab."

På trods af forskningens nyhed og den foreløbige fortolkning af resultaterne, Wu spekulerede i, hvordan dette fænomen kunne bruges i praksis.

"Det er muligt, at neutrale fermioner kan bruges i fremtiden til kodning af information, der ville være nyttig i kvanteberegning, "sagde han." I mellemtiden, selvom, vi er stadig i de meget tidlige stadier af forståelse af kvantefænomener som dette, så fundamentale opdagelser skal gøres."