_ Fizicienii descoperă o stare cuantică cu un nou tip de particule emergente: fermioni compoziți cu șase fluxuri

Dacă regimul Hall cuantic fracționar ar fi o serie de autostrăzi, aceste autostrăzi ar avea fie două, fie patru benzi. Fluxul fermionilor compoziți cu doi sau patru fluxuri, precum automobilele în acest scenariu de trafic de fermioni compoziți cu doi până la patru fluxuri, explică în mod natural cele peste 90 de stări Hall cuantice fracționale care se formează într-o mare varietate de materiale gazdă. Fizicienii de la Universitatea Purdue au descoperit recent, totuși, că regimurile Hall cuantice fracționale nu sunt limitate la două sau patru fluxuri și au descoperit existența unui nou tip de particule emergente, pe care o numesc fermion compozit cu șase fluxuri. /p>

Ei și-au publicat recent descoperirile revoluționare în Nature Communications.

Gabor Csathy, profesor și șef al Departamentului de Fizică și Astronomie la Colegiul de Științe al Universității Purdue, împreună cu Ph.D. . studenții Haoyun Huang, Waseem Hussain și recent Ph.D. absolventul Sean Myers, a condus această descoperire din campusul West Lafayette din Purdue. Csathy recunoaște autorului principal Huang că a conceput și a condus măsurătorile și a scris o mare parte a manuscrisului. Toate măsurătorile la temperaturi ultra joase au fost efectuate în laboratorul Csathy's Physics Building. Laboratorul său efectuează cercetări asupra fizicii electronilor puternic corelate, uneori denumită fizică topologică a electronilor.

Interacțiunile slabe ale electronilor sunt bine stabilite, iar comportamentul este destul de previzibil. Când electronii interacționează slab, electronul este de obicei considerat elementul natural al întregului sistem. Dar atunci când electronii interacționează puternic, interpretarea comportamentului sistemic prin gândirea la electroni individuali devine aproape imposibilă.

„Acest lucru se întâmplă în foarte puține cazuri, ca în regimul cuantic Hall fracționat pe care îl studiem, de exemplu,” spune Csathy. „Pentru a explica stările Hall cuantice fracționale, fermionul compozit, un bloc de construcție fundamental foarte intuitiv, vine în diferite arome. Ele pot explica un întreg subset al stărilor Hall cuantice fracționale. Dar toate cele complet dezvoltate, (adică, protejate topologic) , stările Hall cuantice fracționale ar putea fi explicate doar de două tipuri de fermioni compoziți: fermionii compoziți cu doi și patru fluxuri.

„Aici am raportat o nouă stare Hall cuantică fracțională care nu poate fi explicată prin oricare dintre aceste idei anterioare. În schimb, trebuie să invocăm existența unui nou tip de particule emergente, așa-numiții fermioni compoziți cu șase fluxuri. Descoperirea unor noi stări Hall cuantice fracționale este suficient de rară. Cu toate acestea, descoperirea unei noi particule emergente în fizica materiei condensate este cu adevărat rară și uimitoare.”

Deocamdată, aceste idei vor fi folosite pentru a extinde înțelegerea noastră despre ordonarea stărilor Hall cuantice fracționale cunoscute în un „tabel periodic.” Este deosebit de remarcabil pentru acest proces faptul că particula de fermion compozit emergentă este unică prin faptul că electronul captează șase cuante de flux magnetic cuantificat, formând cel mai complicat fermion compozit cunoscut până în prezent.

„Numerologia acestui puzzle complicat de fizică necesită destul de multă răbdare”, spune Haoyun Huang, Ph.D. al lui Csathy. student. „Luați ca exemplu starea fracțională nu=2/3. Deoarece 2/3=2/(2*2-1), starea nu=2/3 aparține familiei cu doi fluxuri. În mod similar, pentru nu= 2/7 stare fracțională, 2/7=2/(2*4-1), deci această stare aparține familiei cu patru fluxuri. În contrast, stările fracționale pe care le-am descoperit sunt strâns legate de 2/11=2/(2 *6-1).Înainte de lucrarea noastră, nu a fost văzută nicio stare Hall cuantică fracțională complet cuantizată care să poată fi asociată cu fermioni compoziți cu șase fluxuri.Situația a fost complet diferită din punct de vedere al teoriei: a fost prezisă existența acestor tipuri de fermioni compoziți. de Jainendra Jain în teoria sa extrem de influentă a fermionilor compoziți publicată în 1989. Cuantizarea asociată nu a fost observată în acești 34 de ani.”

Materialul folosit în acest studiu a fost cultivat de o echipă de la Universitatea Princeton condusă de Loren. Pfeiffer. Calitatea electrică a semiconductorilor GaAs a jucat un rol imens în succesul acestei cercetări. Potrivit lui Csathy, acest grup de la Princeton este lider mondial în creșterea materialelor pe bază de GaAs de cea mai înaltă calitate.

„GaAs-ul pe care îl cresc este foarte special, deoarece numărul de imperfecțiuni este uimitor de scăzut”, spune el. „Combinația dintre dezordine scăzută și expertiză în măsurarea temperaturii ultra-joase din laboratorul Csathy a făcut posibil acest proiect. Unul dintre motivele pentru care am măsurat aceste probe este că foarte recent, grupul Princeton a îmbunătățit semnificativ calitatea semiconductorului GaAs, așa cum a fost măsurat. de micile cantități de defecte prezente. Aceste mostre îmbunătățite vor continua, cu siguranță, să constituie un loc de joacă pentru o nouă fizică.”

Această descoperire interesantă face parte din cercetările în curs de desfășurare ale echipei lui Csathy. Echipa continuă să depășească limitele descoperirii în urmărirea lor persistentă de fizica topologică a electronilor.

(Fluierul)