Учените откриват нови квантови частици, нарушаващи класическите правила

Ваня Милева Последна промяна на 10 януари 2025 в 00:00 4734 0

нови квантови частици се образуват чрез сдвояване на квазичастици, които носят дробни заряди

Кредит Demin Liu
Нови квантови частици се образуват чрез сдвояване на квазичастици, които носят дробни заряди.

В резултат на постижение, което поставя под въпрос разбирането ни за квантовата физика, изследователи са открили нов клас частици, които се държат по начин, който противоречи на традиционните правила. Откритието може да доведе до революция в разбирането ни за квантовата механика и да ускори разработването на квантови компютри.

Сложният танц на частиците

Изследването, публикувано в Nature, включва създаването на сложна експериментална уредба, използваща два слоя графен - двуизмерен наноматериал - разделени от изолиращ кристал. След това екипът излага тази структура на магнитни полета, милиони пъти по-силни от магнитното поле на Земята, което води до наблюдението на тези необичайни частици, наречени дробни екситони (заредени с дробен заряд).

Екситон

Електрон и електронна дупка, които се привличат един към друг чрез електромагнетизъм, могат да образуват свързано състояние, наречено екситон. Това е обикновено електрически неутрална квазичастица, която съществува главно в кондензирана материя, включително в изолатори, полупроводници, някои метали, но също и в определени атоми, молекули и течности. Екситонът се разглежда като елементарно възбуждане, което може да транспортира енергия, без да транспортира нетен електрически заряд.

Екситоните се образуват през слоеве в 3D суперрешетка от подредени 2D полупроводници. Кредит: Olivia Kong

Пробивът

Екситоните, управляваните от Кулон свързани състояния на електрони и дупки, обикновено имат от цели числа заряд. Но в двуслойни системи, повлияни от раздробяването на заряда, може да възникне по-интересна форма на междуслоен екситон, при който възниква сдвояване между съставките, които носят дробни заряди. Въпреки многобройните теоретични прогнози за тези дробно заредени екситони, тяхното експериментално наблюдение бе досега неизследвано.

Новото изследване докладва за наличие на сигнали за транспорт на екситонно сдвояване в състояния на дробни квантов ефект на Хол. Чрез изследване на състава на тези екситони и тяхното въздействие върху основната вълнова функция, изследователите откриват два нови типа квантови фази на материята. Едната от тях може да се разглежда като дробен аналог на екситонния кондензат при запълване до 1, докато другата включва по-необичаен тип екситон, който се подчинява на не-бозонова квантова статистика, противопоставя на Стандартния модел на бозонни екситони, пишат авторите на изследването.

"Нашите открития сочат към изцяло нов клас квантови частици, които не носят цялостен заряд, а следват уникални квантови статистики", обяснява Дзя Ли (Jia Li), доцент по физика в Университета Браун и един от ръководителите на изследването. "Най-вълнуващото е, че това откритие отключва редица нови квантови фази на материята, като представя нова граница за бъдещи изследвания, задълбочава разбирането ни за фундаменталната физика и дори открива нови възможности в квантовите изчисления."

Нарушаване на правилата

"Това неочаквано поведение предполага, че дробните екситони могат да представляват изцяло нов клас частици с уникални квантови свойства", обяснява Найюан Джан (Naiyuan Zhang), един от водещите автори на изследването. "Ние показваме, че екситоните могат да съществуват в режим на дробен квантов ефект на Хол и че някои от тези екситони възникват от сдвояването на дробно заредени частици, създавайки дробни екситони, които не се държат като бозони."

Ефект на Хол

Класическият ефект на Хол се състои в появата в проводник с ток I, поставен в магнитно поле B, на електрическо поле E в посока, перпендикулярна на I и B.

За разлика от класическия, квантовият ефект на Хол се наблюдава в проводници, чиято дебелина d е изключително малка и сравнима с междуатомното разстояние. В такива проводници, наречени двумерни електронни системи, постъпателното движение на електрона по оста z е невъзможно и следователно движението на електрона е двумерно в равнината (x, y). Типичен пример за двумерна електронна система, в която се наблюдава квантовият ефект на Хол, е структура метал–изолатор–полупроводник, образувана от слоеве метал и полупроводник, разделени от слой диелектрик.

Дробният квантов ефект на Хол (FQHE) е физичен феномен, при който проводимостта на Хол на двумерни (2D) електрони показва прецизно квантувани плата при дробни стойности на e²/h, където e е зарядът на електрона, а h е константата на Планк. Това е свойство на колективно състояние, в което електроните свързват линиите на магнитния поток, за да направят нови квазичастици, а възбужданията имат дробен елементарен заряд и вероятно също дробна статистика.

Дробно заредените квазичастици (1\3, 2\5, 3\7...) не са нито бозони, нито фермиони. Определени дробни квантови фази на Хол изглежда имат подходящи свойства за изграждане на топологичен квантов компютър.

Нобеловата награда за физика за 1998 г. бе присъдена на Робърт Лафлин, Хорст Стьормер и Даниел Цуи "за откритието им на нова форма на квантова течност с дробно заредени възбуждания". FQHE е основна изследователска тема във физиката на кондензираната материя.

Нова граница

"По същество отключихме ново измерение за изследване и манипулиране на този феномен и едва сега започваме да изследваме тази сфера", отбелязва Ли. "За първи път показахме, че този тип частици съществуват експериментално, и сега се задълбочаваме в това, което може да се получи от тях."

Последици за квантовите изчисления

Откритието може да има значителни последици за технологията на квантовите изчисления, тъй като тези нови частици могат да предложат нови начини за съхраняване и манипулиране на квантова информация. Изследователският екип предполага, че това може да доведе до по-надеждни и ефективни квантови компютри в бъдеще.

В перспектива

"Това е сякаш пръстът ни е точно върху копчето на квантовата механика", заявява Дима Фелдман (Dima Feldman), професор по физика в Браун и съавтор на изследването. "Това е аспект на квантовата механика, за който не знаехме или поне не оценявахме досега."

Изследователският екип сега планира да проучи как взаимодействат тези дробни екситони и дали поведението им може да бъде контролирано.

Справка: Zhang, N.J., Nguyen, R.Q., Batra, N. et al. Excitons in the fractional quantum Hall effect. Nature 637, 327–332 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08274-3 

Източник: Scientists Discover New Quantum Particles That Break Classical Rules, Brown 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 !