Odkrycie nowej fazy materii zostało ogłoszone przez zespół fizyków, którzy dokonali przełomu po stworzeniu nowego urządzenia, które określają mianem „maszyny frustrującej”.

W naszym codziennym życiu trzy najczęstsze fazy materii, z którymi spotyka się większość z nas, to ciała stałe, ciecze i gazy. Plazmy występują również w różnych codziennych okolicznościach, od uderzeń pioruna podczas burzy po łuki spawalnicze i plazmę w rurach, które oświetlają neony.

Istnieje jednak wiele innych warunków niż te, których normalnie doświadczamy na Ziemi, gdzie materia może przybierać bardzo różne formy od tych, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Mogą one wystąpić w przypadku obiektów, które są nieskończenie małe lub które mają bardzo niskie stany energetyczne, a także w bardzo niskich temperaturach bliskich zeru absolutnemu.

Teraz Tigran Sedrakyan, adiunkt na University of Massachusetts i zespół dokumentują nową fazę materii podobną do tego, jak pojawia się w tak ekstremalnych warunkach, którą nazywają „chiralnym stanem bose-ciecz”, jak podano niedawno w artykuł, który opublikowali w czasopiśmie Natura.

W danym systemie cząstki zderzają się ze sobą, co skutkuje efektami, które naukowcy są na ogół bardzo dobrzy w przewidywaniu. Na przykład, jeśli rzucisz kulą do kręgli na zestaw kręgli, prawdopodobnie pojawi się przewidywalny wzór, jeśli piłka uderzy blisko swojego środka, powodując przewrócenie otaczających kręgli we wszystkich kierunkach. W fizyce jest to przykład naszego zrozumienia, że ​​obserwowane przez nas efekty są skorelowane z wpadaniem na siebie cząstek.

Jednak świat kwantowy może zachowywać się zupełnie inaczej, ponieważ sfrustrowany system kwantowy może wytwarzać nieskończoną liczbę możliwości opartych na interakcji cząstek, z których niektóre mogą prowadzić do bardzo unikalnych stanów kwantowych.

Od kilku lat Sedrakyan koncentruje się na tego rodzaju stanach kwantowych, które obejmują tak zwaną degenerację pasm, pasma fosy lub frustrację kinetyczną, które występują w materii kwantowej podczas silnych oddziaływań.

Według Sedrakyana i jego współpracowników, ich badania nad zjawiskami pasm fosy przyniosły interesującą obserwację, którą określają jako „niekonwencjonalną symetrię z odwróceniem czasu łamiącą ekscytonowy stan podstawowy przy niezrównoważonych gęstościach elektronów i dziur”.

Mówiąc laikiem, to, co zespół zasadniczo zrobił, sprowadza się do skonstruowania urządzenia półprzewodnikowego, które działa jak „maszyna frustrująca” poprzez ułożenie górnej warstwy półprzewodnikowej, przez którą elektrony mogą się swobodnie poruszać, oraz dolnej warstwy z otworami, do których elektrony czasami się przemieszczają. . Dwie warstwy są następnie umieszczane w odległości na szerokość pojedynczego atomu od siebie.

Sedrakyan porównuje wynikający z tego ruch elektronów do gry w muzyczne krzesła, w której brak równowagi w liczbie dostępnych dziur elektronowych jest specjalnie zaprojektowany, aby je udaremnić.

„Zamiast każdego elektronu mieć jedno krzesło, do którego może się udać, muszą teraz się wspinać i mieć wiele możliwości” – powiedział Sedrakyan w oświadczeniu.

Wynikająca z tego frustracja jest tym, co wytwarza nowy chiralny stan krawędzi, który daje kilka unikalnych cech. Jednym z nich jest to, że gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego, gdy materia kwantowa jest w stanie chiralnym, elektrony zaczynają zachowywać się w przewidywalny sposób, gdy zamarzają. Spin elektronów w takich warunkach nie może zostać zmieniony nawet przez zderzenia z innymi cząstkami lub obecność pól magnetycznych, właściwość, która ma kilka unikalnych potencjalnych zastosowań.

“[T]Stan ten jest bardzo odporny na zakłócenia zewnętrzne, takie jak na przykład nieporządek, brud, temperatura, wahania, wszystkie te rodzaje rzeczy, które normalnie mają poważny wpływ na stan materii” – powiedział Sedrakyan w oświadczeniu.

Jednak sama obserwacja chiralnego stanu bose-ciecz nie jest prostym zadaniem. Zespołowi udało się to zrobić dzięki połączeniu ram teoretycznych i eksperymentu z udziałem silnego pola magnetycznego, który pozwolił im mierzyć elektrony, gdy zmieniała się ich pozycja, próbując zająć różne dziury w dolnej warstwie półprzewodnikowej „maszyny frustrującej”. zaprojektowane do takich celów.

Eksperyment zakończył się sukcesem, ujawniając coś, co uważa się za pierwszy bezpośredni dowód na istnienie chiralnej cieczy bosowej. Zespół twierdzi, że ich odkrycie „otwiera nowy kierunek badań nad topologicznymi i skorelowanymi systemami bozonowymi w stanach stałych” poza ich konwencjonalnymi fazami i może mieć zastosowania, które obejmują bezpieczniejsze i bardziej niezawodne metody kodowania informacji cyfrowych.

W czasopiśmie ukazał się artykuł zespołu „Ekscytonowy porządek topologiczny w niezrównoważonych dwuwarstwach elektron-dziura” Natura 14 czerwca 2023 r.

Micah Hanks jest redaktorem naczelnym i współzałożycielem The Debrief. Można się z nim skontaktować pod adresem e-mail micah@thedebrief.org. Śledź jego pracę o godz micahhanks.com oraz na Twitterze: @MicahHanks.