Dziwny „neutralny elektron” prawdopodobnie odkryty w nowym stanie materii

Wcześniej nieznana cząstka kwantowa – odpowiednik neutralnego elektronu – mogła zostać znaleziona w nowym stanie skupienia.

Bezładny dziwak nie byłby jednak jednym z podstawowych cegiełek materii. Byłby raczej kwazicząstką, która wyłania się ze zbiorowego zachowania materiału tylko wtedy, gdy warunki są odpowiednie. W nowym badaniu warunki te zaobserwowano w arkuszach półmetalicznego kryształu, który wykazywał dziwne zachowanie elektromagnetyczne.

„Jeśli nasze interpretacje są poprawne, to widzimy całkowicie nową formę materii kwantowej” – powiedział w oświadczeniu fizyk z Uniwersytetu Princeton, Sanfeng Wu. Wu jest głównym autorem nowego badania opisującego odkrycie 4 stycznia w czasopiśmie Nature.

On i jego koledzy kontynuowali działania w oparciu o wskazówki z poprzednich eksperymentów, dotyczące dziwnego zachowania cienkiej warstwy krystalicznego materiału tellurek wolframu (IV). Materiał przewodzi elektryczność jak metal, ale jest silnym izolatorem w postaci „monowarstwy” – warstwy o grubości zaledwie jednego atomu – ponieważ ruchome elektrony prądu są blokowane przez jego stałe elektrony, które stają się znacznie silniejsze w tak zwanych „dwuwymiarowych” arkuszach, powiedział Wu.

W ramach swoich badań naukowcy wystawili monowarstwę na działanie zmiennego pola magnetycznego w niskich temperaturach, gdzie efekty kwantowe stają się bardziej wyraźne, i zmierzyli, jak wytrzymuje ona prąd elektryczny. (Magnetyzm i elektryczność są ze sobą ściśle powiązane; kiedy pole magnetyczne zmienia siłę, elektrony zaczynają płynąć, podczas gdy przepływające elektrony wytwarzają pole magnetyczne.)

Zwykłe materiały wykazują charakterystyczne zachowanie w tych warunkach: metale wykazują zjawisko zwane „oscylacjami kwantowymi [quantum oscillation]”, w których opór właściwy szybko przełącza się między różnymi wartościami.

Wu wyjaśnił, że oscylacje kwantowe występują, ponieważ elektrony materiału zmieniają swój normalny stan klasyczny i mechaniczny stan kwantowy spowodowany ruchem kołowym w polu magnetycznym – w rzeczywistości jest to rodzaj kwantowej „superpozycji”, w której elektron może zajmować kilka różnych stanów jednocześnie.

Ale izolatory nie wykazują oscylacji kwantowych; dlatego Wu i jego koledzy byli zaskoczeni, widząc, że opór elektryczny monowarstwy tellureku wolframu (IV) zaczął oscylować wraz ze wzrostem pola magnetycznego – charakterystyczne zachowanie metalu.

„To było zupełne zaskoczenie” – powiedział. „Zadaliśmy sobie pytanie: ‘Co tu się dzieje?’ Nie do końca to jeszcze rozumiemy”.

Oscylacja kwantowa

Fizycy odkryli oscylacje kwantowe prawie sto lat temu. Metale mają zwykle niski opór właściwy – ich zewnętrzne elektrony nie są ściśle związane w swoich macierzystych atomach, więc metale pozwalają ruchomym elektronom na przepływ i przewodzenie prądu elektrycznego.

We wczesnych eksperymentach naukowcy wystawiali metal na działanie pola magnetycznego w bardzo niskich temperaturach i odkryli, że opór właściwy materiału najpierw wzrośnie, a następnie zacznie przełączać się między wyższymi i niższymi poziomami.

Obecnie wiadomo, że wystarczająco silne pole magnetyczne powoduje, że elektrony w metalu przechodzą między ich normalnym stanem klasycznym a kołowymi stanami mechaniki kwantowej, powodując oscylacje w oporze właściwym metalu; a oscylacje kwantowe stały się standardowym narzędziem do charakteryzowania wielu właściwości metali, powiedział Wu.

Z kolei elektrony w materiałach izolacyjnych nie mogą się poruszać, więc nie przewodzą dobrze prądu elektrycznego i mają bardzo wysoki opór właściwy. Izolatory zwykle nie wykazują żadnych oscylacji kwantowych, niezależnie od tego, jak silne jest pole magnetyczne.

Wu powiedział, że oscylacje kwantowe obserwowane w rzekomo izolującej monowarstwie z tellureku wolframu (IV) były więc nieoczekiwane.

Chociaż materiał miał wysoki opór właściwy, zaczął oscylować między wyższym a niższym poziomem oporu właściwego w miarę wzrostu natężenia pola magnetycznego. Te oscylacje wskazują, że elektrony materiału przechodzą w skwantowane fazy spowodowane polem magnetycznym – podstawową właściwością metalu, ale w silnym izolatorze – powiedział.

Nowa sprawa

Współczesna fizyka nie wyjaśnia odkrycia, powiedział Wu, a on i jego zespół stawiają hipotezę, że obserwowane oscylacje są spowodowane przez nieznaną wcześniej formę materii kwantowej.

Uważają, że oscylacje kwantowe można wytłumaczyć „kwazicząstkami”, nigdy wcześniej nie widzianymi, które powstają z nieruchomych elektronów, gdy monowarstwę tellureku wolframu (IV) wystawia się na działanie wystarczająco silnego pola magnetycznego. I sugerują, że ta kwazicząstka jest „neutralnym fermionem” – odpowiednikiem elektronu, ale bez ładunku elektrycznego.

Normalnie naładowane fermiony to albo ujemnie naładowane elektrony, albo dodatnio naładowane „dziury”, które są postrzegane jako przepływ prądu w metalu – w rzeczywistości elektrony płyną w przeciwnym kierunku niż prąd.

Jednak naukowcy uważają, że ich neutralne fermiony mogą istnieć i poruszać się w izolatorze, powodując interakcje między prądem a obojętnymi cząstkami, które wyłaniają się ze stałych elektronów, które można wykryć jako oscylacje kwantowe.

„Tutaj fermiony obojętne pod względem ładunku są wyłaniającą się cząstką, ze względu na zbiorowe zachowanie silnie oddziałującego systemu wieloelektronowego” – powiedział Wu. „Więc to nie jest [jedna z] cząstek elementarnych w Modelu Standardowym” – powiedział, odnosząc się do modelu, który rządzi czasami dziwacznym światem fizyki cząstek elementarnych.

Obecnie planują sposoby przetestowania swojej hipotezy o „neutralnych fermionach” w tellureku wolframu (IV) i szukają innych izolatorów, które również wytwarzają oscylacje kwantowe – powiedział.

„Na tym etapie trudno wyobrazić sobie przyszłe zastosowania, ale jestem pewien, że będzie to związane z naszymi przyszłymi technologiami kwantowymi” – powiedział Wu. W ten sam sposób „trudno było wyobrazić sobie nowoczesną elektronikę, kiedy po raz pierwszy ujrzano elektron”.

Zespół Wu przygotował swoje monowarstwy tellureku wolframu (IV) poprzez stopniowe „golenie” jego warstw zwykłą taśmą klejącą.

Chociaż brzmi to prosto, ta tak zwana „metoda taśmy klejącej” jest powszechnie stosowana do tworzenia monowarstw odpowiednich materiałów i doprowadziła do odkrycia materiałów „dwuwymiarowych”, takich jak grafen, który w 2010 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Źródła: Tom Metcalfe

Discovery of quantum behavior in insulators suggests possible new particle

Landau quantization and highly mobile fermions in an insulator

Zdjęcia: Michael Osterrieder via Getty Images

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x