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Sie kennen die Zustände der Materie, denen wir jeden Tag begegnen – Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase –, aber unter exotischeren und extremeren Bedingungen können neue Zustände entstehen, und Wissenschaftler aus den USA und China haben gerade einen gefunden.
Sie nennen es den Bose-Fluid-Chiral-Zustand, und wie jede neue Anordnung von Teilchen, die wir entdecken, kann er uns mehr über die Beschaffenheit und Mechanismen des Universums um uns herum verraten – und insbesondere über seine extrem kleine Quantengröße.
Materiezustände beschreiben, wie Teilchen miteinander interagieren können, wodurch unterschiedliche Strukturen und Verhaltensweisen entstehen. Halten Sie die Atome an Ort und Stelle, und Sie erhalten einen Feststoff. Lassen Sie sie fließen, Sie haben eine Flüssigkeit oder ein Gas. Die Kraft der Partnerschaften ist entladen, Sie haben ein Plasma.
Die Quantenlandschaft bietet noch exotischere Möglichkeiten für die Interaktion von Teilchen und ermöglicht einzigartige Verhaltensweisen, die besser in Bezug auf Potenzial und Energie beschrieben werden können.
Die Forscher entdeckten den neuen Fall durch a Das frustrierte Quantensystem. Einfach ausgedrückt handelt es sich um ein System mit eingebauten Einschränkungen, die verhindern, dass Partikel wie gewohnt interagieren (daher Frustration).
Diese Einschränkungen – und die daraus resultierende Frustration – können für Wissenschaftler zu spannenden Ergebnissen führen. Hier konzentrierten sich die Forscher auf Elektronen und nutzten eine Partyspiel-Analogie, um zu erklären, was vor sich geht.
„Es ist wie ein Spiel mit Musikstühlen, das darauf ausgelegt ist, Elektronen zu frustrieren.“ sagen Theoretischer Physiker der kondensierten Materie Tigran Sedrakyan von der University of Massachusetts Amherst.
„Statt dass jedes Elektron einen Stuhl hat, zu dem es sich setzen kann, müssen sie jetzt herumkraxeln und haben viel mehr Möglichkeiten, wo sie sitzen.“
Das System der Forscher war ein Halbleiterbauelement mit zwei Schichten: einer oberen Schicht, die reich an Elektronen ist, und einer unteren Schicht mit vielen Löchern, durch die Elektronen auf natürliche Weise passieren können. Entwicklung? Es gibt nicht genügend Löcher für alle Elektronen.
Obwohl diese Art von System schwer zu beobachten ist, nutzte das Team ein ultrastarkes Magnetfeld, um zu messen, wie sich die Elektronen bewegten, und lieferte damit den ersten Hinweis auf einen neuen Boson-chiralen Flüssigkeitszustand.
„Am Rand einer Halbleiterdoppelschicht bewegen sich Elektronen und Löcher mit der gleichen Geschwindigkeit.“ sagen Lingjie Du, ein Physiker von der Universität Nanjing in China.
„Dies führt zu einem spiralförmigen Transport, der durch äußere Magnetfelder weiter moduliert werden kann, da Elektronen- und Lochkanäle unter höheren Feldern allmählich getrennt werden.“
Dieser neue Fall enthüllte einige interessante Eigenschaften. Beispielsweise würden Elektronen in einem vorhersehbaren Muster und mit einer festen Spinrichtung am absoluten Nullpunkt einfrieren und könnten nicht durch andere Teilchen oder Magnetfelder gestört werden. Diese Stabilität könnte in digitalen Speichersystemen auf Quantenebene Anwendung finden.
Darüber hinaus können äußere Teilchen, die ein einzelnes Elektron beeinflussen, dank der relativ weitreichenden Quantenverschränkung alle Elektronen in einem System beeinflussen. Es ist so, als würde man einen Spielball in ein Bündel Billardbälle schleudern und alle Bälle bewegen sich daraufhin in die gleiche Richtung – eine weitere Entdeckung, die sich als nützlich erweisen könnte.
Während all dies mit höherer Physik zu tun hat, bringt uns jede Entdeckung wie diese – diese Eigenheiten und Randzustände, die außerhalb der Grenzen üblicher Teilchenwechselwirkungen auftreten – einem vollständigen Verständnis unseres Universums näher.
„Weiter draußen an diesen Peripherien findet man Quantenzustände der Materie, und sie sind weitaus monströser als die drei klassischen Zustände, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen.“ sagen Sedrakisch.
Forschung veröffentlicht in Natur.
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