Nye beviser for elektroner med dobbelt natur fundet i en kvantespinvæske

En ny opdagelse ledet af Princeton University kan øge vores forståelse af, hvordan elektroner opfører sig under ekstreme forhold i kvantematerialer. Fundet giver eksperimentelt bevis på, at denne velkendte byggesten af ​​stof opfører sig, som om den er lavet af to partikler:en partikel, der giver elektronen dens negative ladning, og en anden, der leverer dens magnetlignende egenskab, kendt som spin.

"Vi tror, ​​at dette er det første hårde bevis på spin-ladningsadskillelse, " sagde Nai Phuan Ong, Princetons Eugene Higgins professor i fysik og seniorforfatter på papiret offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturfysik .

De eksperimentelle resultater opfylder en forudsigelse, der blev lavet for årtier siden for at forklare en af ​​de mest åndssvage tilstande af stof, kvantespinvæsken. I alle materialer, en elektrons spin kan pege enten op eller ned. I den velkendte magnet, alle spins peger ensartet i én retning gennem prøven, når temperaturen falder til under en kritisk temperatur.

Imidlertid, i spin flydende materialer, spinsene er ikke i stand til at etablere et ensartet mønster, selv når de er afkølet meget tæt på det absolutte nul. I stedet, spins ændrer sig konstant i en tæt koordineret, indviklet koreografi. Resultatet er en af ​​de mest sammenfiltrede kvantetilstande, der nogensinde er undfanget, en tilstand af stor interesse for forskere inden for det voksende felt af kvantecomputere.

For at beskrive denne adfærd matematisk, Nobelprisvindende Princeton-fysiker Philip Anderson (1923-2020), som først forudsagde eksistensen af ​​spin-væsker i 1973, foreslået en forklaring:i kvanteregimet kan en elektron betragtes som sammensat af to partikler, den ene bærer elektronens negative ladning og den anden indeholder dens spin. Anderson kaldte den spin-holdige partikel for en spinon.

I denne nye undersøgelse, holdet søgte efter tegn på spinon i en spin-væske bestående af ruthenium- og kloratomer. Ved temperaturer en brøkdel af en Kelvin over det absolutte nulpunkt (eller omkring -452 grader Fahrenheit) og i nærværelse af et højt magnetfelt, rutheniumchloridkrystaller går ind i spin flydende tilstand.

Kandidatstuderende Peter Czajka og Tong Gao, Ph.D. 2020, tilsluttet tre meget følsomme termometre til krystallen, der sidder i et bad holdt ved temperaturer tæt på det absolutte nul grader Kelvin. De påførte derefter magnetfeltet og en lille mængde varme til den ene krystalkant for at måle dens varmeledningsevne, en størrelse, der udtrykker, hvor godt den leder en varmestrøm. Hvis spinoner var til stede, de skal fremstå som et oscillerende mønster i en graf over den termiske ledningsevne versus magnetfelt.

Det oscillerende signal, de søgte efter, var bittesmå - blot et par hundrededele af en gradsændring - så målingerne krævede en ekstraordinær præcis kontrol af prøvetemperaturen samt omhyggelige kalibreringer af termometrene i det stærke magnetfelt.

Holdet brugte de reneste tilgængelige krystaller, dem, der dyrkes på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) under ledelse af David Mandrus, professor i materialevidenskab ved University of Tennessee-Knoxville, og Stephen Nagler, direktør for ORNL's quantum condensed matter division. ORNL-holdet har grundigt undersøgt rutheniumchlorids kvantespinvæskeegenskaber.

I en række eksperimenter udført over næsten tre år, Czajka og Gao detekterede temperaturoscillationer i overensstemmelse med spinoner med stadig højere opløsning, giver bevis for, at elektronen er sammensat af to partikler i overensstemmelse med Andersons forudsigelse.

"Folk har ledt efter denne signatur i fire årtier, Ong sagde, "Hvis dette fund og spinon-fortolkningen er valideret, det ville markant fremme feltet af kvantespinvæsker."

Czajka og Gao brugte sidste sommer på at bekræfte eksperimenterne, mens de var under COVID-restriktioner, der krævede, at de skulle bære masker og opretholde social afstand.

"Fra den rent eksperimentelle side, " sagde Czajka, "det var spændende at se resultater, der i realiteten bryder de regler, som du lærer i elementære fysiktimer."