Новый тип квантовых частиц ведет себя неожиданным образом
Исследование, проведенное группой ученых из Университета Брауна, может привести к появлению новых способов изучения квантовых явлений, имеющих значение для будущих достижений в области технологий и вычислений.
В квантовой физике субатомные частицы ведут себя странно — они могут находиться в двух местах одновременно, проходить сквозь твердые объекты и мгновенно общаться на больших расстояниях. Ученые изучают это поведение, чтобы лучше понять квантовый мир.
Физики из Университета Брауна открыли новый тип квантовых частиц, называемых дробными экситонами. Эти частицы обладают удивительным поведением и могут значительно расширить наше понимание квантовой физики.
Они не несут общего заряда, но следуют уникальным квантовым правилам, которые могут привести к появлению новых фаз материи, передовым исследованиям и усовершенствованным квантовым вычислениям.
Открытие команды сосредоточено на дробном квантовом эффекте Холла, который основан на классическом эффекте Холла. В классическом эффекте Холла магнитное поле, приложенное к материалу с электрическим током, создает разность потенциалов (напряжение Холла) на краях образца.
Квантовый эффект Холла происходит при очень низких температурах и сильных магнитных полях, заставляя это напряжение увеличиваться четкими скачками. В дробном квантовом эффекте Холла эти скачки увеличиваются дробными величинами, перенося часть заряда электрона.
Исследователи использовали два тонких слоя графена, разделенных изолирующим слоем гексагонального нитрида бора, для управления электрическими зарядами и создания экситонов — частиц, созданных путем объединения электрона и недостающего электрона (дырки). Подвергнув эту конструкцию воздействию чрезвычайно сильных магнитных полей, они наблюдали новые дробные экситоны, которые вели себя удивительно.
Фундаментальные частицы обычно делятся на два типа: бозоны, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, и фермионы, которые следуют принципу исключения Паули, означающему, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Дробные экситоны не вписывались ни в одну из категорий, но они демонстрировали черты обеих типов частиц и действовали как смесь этих двух типов. Это делало их похожими на энионы, тип частиц между фермионами и бозонами, но с уникальными свойствами.
Найюань Чжан, соавтор исследования, сказал, что эти неожиданные явления позволяют предположить, что дробные экситоны могут представлять собой новый класс частиц с уникальными квантовыми свойствами.
Исследователи отметили, что существование нового класса частиц может однажды помочь улучшить способ хранения и обработки информации на квантовом уровне, что приведет к созданию более быстрых и надежных квантовых компьютеров.
«Мы, по сути, открыли новое измерение для исследования и манипулирования этим явлением, и мы только начинаем прикасаться к нему», — говорят ученые. «Это первый раз, когда мы экспериментально показали, что эти типы частиц существуют, и теперь мы углубляемся в то, что может из них получиться».
Следующими шагами команды станет изучение того, как взаимодействуют эти дробные экситоны и можно ли контролировать их поведение.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Ранее сообщалось, что физики из Университета Райса теоретически продемонстрировали частицы, отличные от бозонов и фермионов.