Физици са открили нова фаза на квантовата материя, наречена "хирално състояние на Бозе-течност". Откритието може да открие нови пътища за изследване на най-фундаменталните въпроси на физическия свят.

Съществуват три състояния, фази, на материята, с които всички сме запознати: твърдо, течно и газообразно.

Но при екстремни условия, като например температури, близки до абсолютната нула (-273,15 °C) като Бозе-Айнщайновия кондензат, или обекти, които са много по-малки от отделен атом, или изключително ниски енергийни състояния, могат да бъдат открити нови фази на материята.

"Откриват се квантови състояния на материята далеч от тези граници", разказва доцентът от Масачузетския университет Тигран Седракян (Tigran Sedrakyan), който е част от екипа, открил хиралното* състояние на Бозе-течност. "И те са много по-екзотични от трите класически състояния, които срещаме в ежедневието си."

*^{Терминът "хирален" се използва за описание на обект, който не може да се наслагва върху огледалния си образ.}

Седракян е особено заинтригуван от квантова материя, която взаимодейства толкова силно, че е подложена на "кинетична фрустрация".

Това отразява промененото поведение на частиците при определени условия. Обикновено частиците се отблъскват една от друга по предсказуем начин, като билярдни топки. Но частиците в една "фрустрирана квантова система" се държат хаотично.

Взаимодействието между частици в фрустрирана квантова система има безкрайно много възможни резултати. Частиците, които се блъскат една в друга, могат да левитират или да се отклонят под ъгъл, който не изглежда физически възможен.

Екипът на Седракян е конструирал машина за фрустрация, за да изследва тези ефекти. Методът на техните теоретични и експериментални изследвания е публикуван в Nature.

"Екситонен топологичен ред" в небалансиран двуслоен (електрон-дупка) полупроводник. Кредит: Rui Wang et al.

Полупроводниковото устройство се състои от два слоя. Горният слой е пълен със свободно движещи се електрони. Долният слой е запълнен с "дупки" - положително заредени места, които могат да бъдат заети от блуждаещите електрони. Двата слоя са разделени на разстояние, по-малко от диаметъра на атома.

Ако броят на електроните и дупките е равен, би се очаквало корелирано, или подредено и предвидимо, движение на частиците - a в схемата горе.

Като създават дисбаланс в броя на дупките и електроните, Седракян и колегите му създават фрустрирана система.

"Това е като игра на музикални столове, предназначена да фрустрира електроните. Вместо всеки електрон да има един стол, на който да отиде, сега той трябва да се бори и да има много възможности къде да "седне".

И се ражда нова фаза на материята - с изненадващи характеристики.

Охлаждането на квантовата материя в това хирално състояние до почти абсолютна нула кара електроните да замръзнат в предсказуем модел. Неутралните по заряд частици, които се появяват в това състояние, когато се създават двойки електрон-дупка, всички ще имат спин или по посока на часовниковата стрелка, или обратно на нея.

Този спин не може да бъде променен - дори когато се въвеждат силни външни магнитни полета или чрез бомбардиране на хиралната Бозе-течност с други частици.

Когато се въведе външна частица, може да се очаква, че тя ще отблъсне една от частиците на хиралното състояние. Но поради наличието на квантово вплитане на дълги разстояния в системата всички частици се разпръскват, сякаш са ударени от една и съща външна частица.

Посоката на спина на новото хирално Бозе-течно състояние е толкова стабилна, че авторите предполагат, че то може да се използва за безпогрешно квантово дешифриране.

Експериментите успешно разкриват първото доказателство за хиралната бозе-течност, която авторите също така наричат ​​„екситоничен топологичен ред“ в публикуваната статия.

Справка: “Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers” by Rui Wang, Tigran A. Sedrakyan, Baigeng Wang, Lingjie Du and Rui-Rui Du, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06065-w

Източник: FOR EXPERIMENTAL PHYSICISTS QUANTUM FRUSTRATION LEADS TO FUNDAMENTAL DISCOVERY, University of Massachusetts Amherst

Още по темата

13/05/2022

Физика

Необичайно квантово състояние на материята е наблюдавано за първи път

02/05/2022

Физика

Експеримент, който може да потвърди 5-то състояние на материята във Вселената и да промени физиката

23/03/2022

Физика

Нов експеримент би потвърдил информацията като пето състояние на материята

15/01/2021

Физика

Едномерен квантов газ: Ново състояние на материята