Computersimuleringer viser, hvordan fundamentale partikler kan opføre sig som elektroner i en superleder

I kvantefysikkens område viser fundamentale partikler ofte uventet og kontraintuitiv adfærd, når de udsættes for specifikke forhold. Et team af forskere fra Center for Computational Quantum Physics (CCQ) ved Flatiron Institute i New York City har afsløret overraskende adfærd i visse partikler, der ligner elektroner i en superleder. Disse resultater, offentliggjort i tidsskriftet "Nature Physics", giver ny indsigt i materiens kvantenatur.

Superledning, et fænomen observeret ved meget lave temperaturer, involverer tab af elektrisk modstand i visse materialer, hvilket tillader elektricitet at flyde frit. I konventionelle superledere opstår denne adfærd på grund af den kollektive bevægelse af elektroner, der danner par kendt som Cooper-par. Imidlertid afslører CCQ-holdets forskning lignende adfærd i et system af fundamentale partikler kaldet ikke-abiske anyoner.

Ikke-abelske anyoner er partikler, der adlyder eksotiske statistikker, adskilt fra de velkendte statistikker for bosoner og fermioner. Disse partikler findes ikke i naturen, men er blevet foreslået som potentielle kvasipartikler i visse materialer og som grundlæggende byggesten i visse teoretiske modeller.

Ved hjælp af kraftfulde computersimuleringer undersøgte forskerne opførselen af ​​ikke-abelske nogen i en todimensionel gitterstruktur. De fandt ud af, at disse partikler under specifikke forhold kunne udvise en tilstand, der ligner superledning. I denne "enhver superleder" kondenserer partiklerne til en kollektiv tilstand, hvor de effektivt mister deres individuelle identiteter og bevæger sig i forening, meget ligesom elektroner i en konventionel superleder.

Denne bemærkelsesværdige adfærd stammer fra de iboende topologiske egenskaber hos ikke-abeliaske nogen. I modsætning til konventionelle partikler bærer anyons en topologisk ladning, som ikke kan fjernes uden at ændre deres identitet. Denne topologiske ladning fører til lang rækkevidde interaktioner mellem partiklerne, hvilket resulterer i den kollektive adfærd observeret i simuleringen.

Opdagelsen af ​​"enhver superledning" åbner nye veje til at udforske samspillet mellem topologiske egenskaber og kvante-mangelegemefysik. Undersøgelsen bidrager også til den bredere forståelse af ukonventionelle tilstande af stof og kan give indsigt i adfærden af ​​visse eksotiske materialer.

Mens ikke-abelske nogen endnu ikke er blevet observeret direkte i eksperimenter, motiverer CCQ-holdets teoretiske resultater yderligere udforskning af topologiske kvantefænomener og styrker argumentet for at søge materialer, der kan være vært for sådanne partikler.