Fysikere opdager en kvantetilstand med en ny type emergent partikler:Six-flux kompositfermioner

Hvis det fraktionelle kvante-Hall-regime var en række motorveje, ville disse motorveje have enten to eller fire baner. Strømmen af ​​to-flux- eller fire-flux-kompositfermioner, ligesom biler i dette to- til fire-flux-kompositfermion-trafikscenarie, forklarer naturligvis de mere end 90 fraktionerede kvante-Hall-tilstande, der dannes i en lang række værtsmaterialer. Fysikere ved Purdue University har dog for nylig opdaget, at fraktioneret kvante-Hall-regimer ikke er begrænset til to-flux eller fire-flux og har opdaget eksistensen af ​​en ny type emergent partikel, som de kalder seks-flux sammensat fermion.

De har for nylig offentliggjort deres banebrydende resultater i Nature Communications .

Gabor Csathy, professor og leder af Institut for Fysik og Astronomi ved Purdue University College of Science, sammen med Ph.D. studerende Haoyun Huang, Waseem Hussain og nyligt ph.d. kandidat Sean Myers, ledede denne opdagelse fra West Lafayette campus i Purdue. Csathy krediterer hovedforfatteren Huang for at have udtænkt og ledet målingerne og at have skrevet en stor del af manuskriptet. Alle ultra-lav temperaturmålinger blev gennemført i Csathy's Physics Building laboratorium. Hans laboratorium forsker i stærkt korreleret elektronfysik, nogle gange omtalt som topologisk elektronfysik.

Svag interaktion mellem elektroner er veletableret, og adfærden er ret forudsigelig. Når elektroner interagerer svagt, betragtes elektronen almindeligvis som den naturlige byggesten i hele systemet. Men når elektronerne interagerer stærkt, bliver det næsten umuligt at fortolke den systemiske adfærd ved at tænke på individuelle elektroner.

"Dette forekommer i meget få tilfælde, som i det fraktionelle kvante Hall-regime, som vi for eksempel studerer," siger Csathy. "For at forklare fraktioneret kvante Hall-tilstande kommer den sammensatte fermion, en meget intuitiv fundamental byggesten, i forskellige smagsvarianter. De kan stå for en hel delmængde af de fraktionerede kvante-Hall-tilstande. Men alle de fuldt udviklede (dvs. topologisk beskyttede) , fraktionerede kvante Hall-tilstande kunne kun forklares af to typer af sammensatte fermioner:to-flux- og fire-flux-kompositfermioner.

"Her rapporterede vi en ny fraktioneret kvante Hall-tilstand, som ikke kan forklares med nogen af ​​disse tidligere ideer. I stedet er vi nødt til at påberåbe os eksistensen af ​​en ny type emergent partikel, de såkaldte six-flux kompositfermioner. Opdagelsen af nye fraktionerede kvante Hall-tilstande er knappe nok. Opdagelsen af ​​en ny opstået partikel i det kondenserede stofs fysik er virkelig sjælden og fantastisk."

For nu vil disse ideer blive brugt til at udvide vores forståelse af rækkefølgen af ​​de kendte fraktionelle kvante Hall-tilstande til et "periodisk system." Det er især bemærkelsesværdigt for denne proces, at den nye sammensatte fermionpartikel er unik ved, at elektronen fanger seks kvantificerede magnetiske fluxkvanter, hvilket danner den mest indviklede sammensatte fermion, der er kendt til dato.

"Numerologien i dette komplicerede fysikpuslespil kræver en del tålmodighed," siger Haoyun Huang, Csathys Ph.D. studerende. "Tag nu=2/3 brøktilstanden som et eksempel. Siden 2/3=2/(2*2 -1), tilhører nu=2/3-tilstanden to-flux-familien. Tilsvarende, for nu=2/7 brøktilstanden, 2/7=2/(2*4 -1), så denne tilstand tilhører fire-flux-familien. I modsætning hertil relaterer de brøktilstande, vi opdagede, tæt til 2/11=2/(2*6 -1). Før vores arbejde blev der ikke set nogen fuldt kvantiseret fraktioneret kvante Hall-tilstand, der kunne associeres med seks-flux kompositfermioner. Situationen var helt anderledes på teorifronten:Eksistensen af ​​denne slags sammensatte fermioner blev forudsagt af Jainendra Jain i hans meget indflydelsesrige teori om sammensatte fermioner offentliggjort i 1989. Den tilhørende kvantisering blev ikke observeret i disse 34 år."

Materialet, der blev brugt i denne undersøgelse, blev dyrket af et Princeton University-team ledet af Loren Pfeiffer. Den elektriske GaAs-halvlederkvalitet spillede en stor rolle i succesen med denne forskning. Ifølge Csathy er denne Princeton-gruppe førende i verden med at dyrke GaAs-baserede materialer af højeste kvalitet.

"De GaAs, de dyrker, er meget specielle, da antallet af ufuldkommenheder er forbløffende lavt," siger han. "Kombinationen af ​​lav uorden og ekspertise inden for måling af ultralav temperatur i Csathy-laboratoriet gjorde dette projekt muligt. En grund til, at vi målte disse prøver, er, at Princeton-gruppen for nylig har forbedret kvaliteten af ​​GaAs-halvlederen væsentligt, som målt af de små mængder af defekter, der er til stede. Disse forbedrede prøver vil helt sikkert fortsætte med at udgøre en legeplads for ny fysik."

Denne spændende opdagelse er en del af igangværende forskning foretaget af Csathys team. Holdet fortsætter med at skubbe grænserne for opdagelse i deres vedvarende stræben efter topologisk elektronfysik.

Flere oplysninger: Haoyun Huang et al., Evidens for topologisk beskyttelse afledt af Six-Flux Composite Fermions, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5

Leveret af Purdue University