Физики открывают новое состояние материи, скрытое в квантовом мире

Вы знакомы с состояниями материи, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, такими как твердое тело, жидкость и газ, но в более экзотических и экстремальных условиях могут возникнуть новые состояния, и ученые из США и Китая обнаружили одно из них ранее в этом году. .

Они называют это состояние киральной бозе-жидкости, и, как и в случае с каждым новым расположением частиц, которое мы обнаруживаем, оно может рассказать нам больше о структуре и механизмах Вселенной вокруг нас – и в в частности, в сверхмалом квантовом масштабе.

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 течь, у вас есть жидкость или газ. Разделив заряженные партнерства, вы получите плазму.

Квантовый ландшафт предоставляет частицам еще более странные способы взаимодействия, позволяя проявлять уникальное поведение, которое лучше всего описать с точки зрения возможностей и энергии.

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

Эти ограничения – и возникающее в результате разочарование – могут привести к захватывающим результатам для ученых. Здесь исследователи сосредоточились на электронах и использовали аналогию с игрой-вечеринкой, чтобы объяснить происходящее.

«Это похоже на игру в музыкальные стулья, призванную расстроить электроны», — сказал физик-теоретик конденсированного состояния Тигран Седракян. из Массачусетского университета в Амхерсте.

«Вместо того, чтобы у каждого электрона был один стул, теперь они должны карабкаться и иметь много возможностей там, где они сидят».

Исследователи системы В итоге получилось полупроводниковое устройство с двумя слоями: верхний слой, богатый электронами, и нижний слой со множеством отверстий, в которые электроны могли естественным образом проникнуть. Поворот? Для всех электронов не хватит дырок.

Хотя такую ​​систему по-прежнему трудно наблюдать, команда использовала сверхсильное магнитное поле, чтобы измерить, как движутся электроны, обнаружив первое свидетельство существования новой киральной бозе -жидкое состояние.

«На краю полупроводникового бислоя электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями», — сказал физик Линцзе Ду из Нанкинского университета в Китае.

«Это приводит к тому, что к спиральному транспорту, который может дополнительно модулироваться внешними магнитными полями, поскольку электронные и дырочные каналы постепенно разделяются под действием более сильных полей».

Это новое состояние выявило некоторые довольно интересные свойства. Например, электроны застынут в предсказуемой структуре и фиксированном направлении вращения при абсолютном нуле, и им не смогут помешать другие частицы или магнитные поля. Эта стабильность может найти применение в цифровых системах хранения данных на квантовом уровне.

Более того, внешние частицы, воздействующие на один электрон, могут влиять на все электроны в системе благодаря относительно дальнодействующей квантовой запутанности. Это все равно, что разбить биток о пачку бильярдных шаров, и все эти шары в ответ полетят в одном направлении – еще одно открытие, которое может быть полезным.

Хотя все это требует физики очень высокого уровня, каждое открытие вот такие причуды и крайние случаи, которые происходят 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», — сказал Седракян.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Версия этой статьи впервые опубликовано в июне 2023 года.