Физики открыли новое состояние материи, скрытое в квантовом мире

Все знакомы с состояниями материи, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, такими как твердое, жидкое и газообразное, но в более экзотических и экстремальных условиях могут появляться новые состояния, и ученые только что обнаружили одно из них.

Они называют это состояние хиральной бозе-жидкостью, и, как и каждое новое расположение частиц, которое ученые обнаруживают, оно может рассказать нам больше о мире вокруг нас — и, в частности, о сверхмалом квантовом уровне.

Состояния материи описывают, как частицы могут взаимодействовать друг с другом, порождая структуры и различные способы поведения. Зафиксируйте атомы на месте, и вы получите твердое тело. Позвольте им перемещаться, у вас есть жидкость или газ. Разделите существующие связи, и вы получите плазму.

Квантовый ландшафт предоставляет частицам еще более странные способы взаимодействия, обеспечивая уникальное поведение, лучше всего описываемое с точки зрения возможности и энергии.

Исследователи открыли новое состояние через фрустрированную квантовую систему. Проще говоря, это система со встроенными ограничениями, которые не позволяют частицам взаимодействовать обычным образом (отсюда и фрустрация).

Эти ограничения — и вытекающая из них фрустрация — могут дать впечатляющие результаты. Здесь исследователи сосредоточились на электронах и использовали аналогию с детской игрой, чтобы объяснить, что происходит.

«Это похоже на игру в музыкальные стулья, предназначенную для того, чтобы сбить электроны с толку», — говорит физик-теоретик Тигран Седракян из Массачусетского университета в Амхерсте. «Вместо того, чтобы у каждого электрона был свой стул, на который он мог сесть, теперь они должны стараться занять свободный». Система, созданная исследователями, представляла собой полупроводниковое устройство с двумя слоями: верхним слоем, богатым электронами, и нижним слоем со множеством доступных отверстий, в которые электроны могут естественным образом проникать, при этом дырок для всех электронов было недостаточно.

Хотя такую ​​систему трудно наблюдать, команда ученых использовала сверхсильное магнитное поле для измерения движения электронов, обнаружив первое свидетельство нового хирального состояния бозе-жидкости.

«На краю полупроводникового двойного слоя электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями», — говорит физик Линджи Ду из Нанкинского университета в Китае.

«Это приводит к спиралевидному потоку, который может быть дополнительно модулирован внешними магнитными полями, поскольку каналы электронов и дырок постепенно разделяются в более высоких полях».

Такое новое состояние обнаружило некоторые довольно интересные свойства. Например, электроны застынут в предсказуемой схеме и с фиксированным направлением вращения при абсолютном нуле, и им не будут мешать другие частицы или магнитные поля. Эта стабильность может найти применение в цифровых системах хранения квантового уровня.

Более того, внешние частицы, воздействующие на один электрон, могут воздействовать на все электроны в системе благодаря относительно дальнодействующей квантовой запутанности. Это все равно что ударить битком по группе бильярдных шаров, и все эти шары в ответ полетят в одном направлении – еще одно открытие, которое может оказаться полезным.

Хотя все это связано с физикой очень высокого уровня, каждое подобное открытие — эти причуды и пограничные случаи, которые происходят за пределами обычных взаимодействий частиц — приближает нас к полному пониманию нашего мира.

«В таких пограничных условиях можно обнаружить квантовые состояния материи, и они гораздо более необычные, чем три классических состояния, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни», — говорит Тигран Седракян.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.