Физики открыли новое состояние материи, скрытое в квантовом мире

Вы 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 из США и Китая только что обнаружили одно из них.

Они называют это состояние хиральной бозе-жидкостью, и, как и каждое новое расположение частиц, которое мы обнаруживаем, оно может рассказать нам больше о ткани и механизмах Вселенной вокруг нас – и, в частности, в сверхмалом квантовом масштабе.

Состояния материи описывают, как частицы могут взаимодействовать друг с другом, создавая структуры и различные способы поведения. Зафиксируйте атомы на месте, и вы получите твердое тело. Позвольте им течь, у вас есть жидкость или газ. Разделите заряженные партнерские отношения, и вы получите плазму.

Квантовый ландшафт предлагает еще более странные способы взаимодействия частиц, что позволяет проявлять уникальное поведение, лучше всего описываемое с точки зрения возможности и энергии.

Исследователи. открыл новое состояние через фрустрированную квантовую систему. Проще говоря, это система со встроенными ограничениями, которые препятствуют нормальному взаимодействию частиц (отсюда разочарование).

Эти ограничения — и вытекающее из них разочарование — могут дать ученым впечатляющие результаты. Здесь исследователи сосредоточились на электронах и использовали аналогию с партийной игрой, чтобы объяснить, что происходит.

«Это похоже на игру в музыкальные стулья, предназначенные для того, чтобы расстроить электроны», — говорит физик-теоретик конденсированных сред Тигран Седракян. из Университета Массачусетса в Амхерсте.

«Вместо того, чтобы каждый электрон имел одно кресло, теперь он должен карабкаться и иметь много возможностей в том месте, где он сидит».

Исследователи системы Собранное вместе представляло собой полупроводниковое устройство с двумя слоями: верхний слой, богатый электронами, и нижний слой со множеством доступных отверстий для естественного перемещения электронов. Поворот? Для всех электронов недостаточно отверстий.

Хотя такую ​​систему по-прежнему трудно наблюдать, команда использовала сверхсильное магнитное поле, чтобы измерить движение электронов, обнаружив первое свидетельство новой киральной бозе-системы. -жидкое состояние.

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

«Это приводит к к спиралевидному транспорту, который может быть дополнительно модулирован внешними магнитными полями, поскольку каналы электронов и дырок постепенно разделяются под действием более высоких полей».

Это 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 на квантовом уровне.

Более того, внешние частицы, воздействующие на один электрон, могут воздействовать на все электроны в системе благодаря относительно дальнодействующей квантовой запутанности. Это все равно, что разбить бильярдный шар битком о бильярдные шары, и все эти шары в ответ летят в том же направлении — еще одно открытие, которое может оказаться полезным.

Хотя все это связано с физикой очень высокого уровня, каждое открытие вот так — эти причуды и пограничные случаи, происходящие за пределами обычных взаимодействий частиц, — приближают нас к полному пониманию нашего мира.

«Вы находите квантовые состояния материи далеко за пределами этих границ, и они гораздо более дикие, чем три классических состояния, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни», — говорит Седракян.

Исследование опубликовано в журнале Nature.