Електрони, които действат като фотони, разкриват квантова тайна

Тези електрони в определени материали, получени чрез химичен синтез, проявяват интересно поведение

Ваня Милева Последна промяна на 15 септември 2025 в 00:00 64 0

Квантовите материали съдържат релативистични частици, наречени диракови електрони, които определят уникални физични свойства. Понякога те са безмасови и се движат със скоростта на светлината, като по-скоро приличат на фотони, отколкото на електрони. В няк

Кредит DOI 10.1021/acs.jpclett.5c02197, American Chemical Society
Квантовите материали съдържат релативистични частици, наречени диракови електрони, които определят уникални физични свойства. Понякога те са безмасови и се движат със скоростта на светлината, като по-скоро приличат на фотони, отколкото на електрони. В някои органични съединения с пренос на заряд обаче те се трансформират между стандартни и диракови електрони в зависимост от температурата. Освен това, понякога се държат по средата.

Квантовите материали, дефинирани от техните фотоноподобни електрони, откриват нови граници в материалознанието. Изследователи са синтезирали органични съединения, които показват универсално магнитно поведение, свързано с отличителна черта в техните лентови структури, наречена линейна лентова дисперсия. Това откритие не само задълбочава теоретичното разбиране на квантовите системи, но и насочва към революционни приложения в информационните и комуникационни технологии от следващо поколение, които конвенционалните материали не могат да постигнат.

Квантови материали, диракови електрони, линейна лентова дисперсия

Уникалните физични свойства на материалите са в центъра на интереса на учените, занимаващи се с материалознание. Сред тях квантовите материали - вещества с поведение, при което др проявяват квантово-механичните ефекти. Това води до необичайни електронни, магнитни или оптични свойства, неописани от класическата физика. Тези материали, сред които са свръхпроводници и топологични изолатори, са от съществено значение за разработването на бъдещи квантови технологии и усъвършенствани оптични сензори.

Напоследък привличат все по-голямо внимание квантовите материал с фотоноподобни електрони. Тези електрони се държат сякаш са безмасови и се движат със скоростта на светлината, като по-скоро приличат на фотони, отколкото на конвенционални електрони. Електроните с такива свойства са наречени диракови електрони, защото са описани от уравнението на Дирак, фундаментално уравнение в релативистичната квантова механика, което включва спина на електрона и предсказва съществуването на антиматерия.

Системите с фотоноподобни електрони показват линейна лентова дисперсия, при която енергията на материала е право пропорционална на неговия импулс (за разлика от по-често срещаната квадратична дисперсия, често наблюдавана в нетопологични системи, където енергията е пропорционална на квадрата на импулса).

Kвантовите материали, дефинирани от техните фотоноподобни електрони, представляват интерес заради уникалните им електронни свойства, като например температурно-независимо съпротивление, сякаш не са нито метални, нито неметални вещества.

Учени разкриват тайната на квантовата материя

Междувременно, универсалните характеристики на магнитното поведение на тези квантови материаливсе още не са открити.

С тази задача сега се заема японски екип от японския Университет Ехиме. Вниманието на учените е насочено към физичните свойства на няколко нови органични системи с диракови електрони органичните при стайна температура. Те ги изследват с помощта на рентгенов структурен анализ на монокристали, измервания на електрическо съпротивление и магнитна възприемчивост (χ) и изчисления на линейната структура.

Магнитната възприемчивост е фундаментално свойство, което количествено определя колко лесно даден материал се намагнитва във външно магнитно поле, изразено като съотношението на намагнитването на материала (M) към приложената сила на магнитното поле (H), или χ = M/H. Материалите се класифицират като диамагнитни (отрицателно χ), парамагнитни (положително χ) и феромагнитни (голямо, положително χ, със сложно поведение). Това свойство показва дали даден материал ще концентрира или ще излъчва магнитно поле спрямо вакуум.

Всички изследвани органични комплекси показват приблизително линейна зависимост между температурата и χ, която е пряко свързана с линейната лентова дисперсия въз основа на предложените от нас модели. В някои органични съединения с пренос на заряд обаче те се трансформират между стандартни и диракови електрони в зависимост от температурата

"Наблюдавахме процеса на интерконверсия на диракови и стандартни фермиони, използвайки органични соли за пренос на заряд. Пробите са уникални с това, че съставките (донорният и акцепторният вид) са особено близки една до друга по енергия, което води до чувствителни към температура взаимодействия с пренос на заряд в твърдите състояния", пишат изследователите.

Така след теоретично и експериментално изследване екипът открива универсални характеристики на магнитното поведение на тези квантови материали.

Констатациите ще ускорят разбирането и приложението на квантовите материали, което ще даде възможност за развитие на усъвършенствани информационни и комуникационни технологии, които други материали не могат да постигнат.

Справка: 

  1. Universal Features of Magnetic Behavior Originating from Linear Band Dispersion: α-BETS2X and α′-BETS2Y (BETS = Bis(ethylenedithio)tetraselenafulvalene, X = IBr2, I2Br, Y = IBr2, ICl2); Sakura HiramotoKoki FunatsuKensuke KonishiHaruhiko DekuraNaoya TajimaToshio Naito; The Journal of Physical Chemistry Letters 2025, 16, 35, 9116–9123 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c02197  Published August 26, 2025
  2. Band Structure Evolution during Reversible Interconversion between Dirac and Standard Fermions in Organic Charge-Transfer Salts; Ryuhei Oka, Keishi Ohara, Kensuke Konishi, Ichiro Yamane, Toshihiro Shimada and Toshio Naito; 
    Magnetochemistry 2023, 9(6), 153; https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9060153 

Източник: Electrons that act like photons reveal a quantum secret, Ehime University

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !