فیزیکدانان یک حالت کوانتومی با نوع جدیدی از ذرات ظهور پیدا کردند: فرمیون‌های شش شار مرکب

گابور زیتی، استاد و رئیس دپارتمان فیزیک و نجوم در کالج علوم دانشگاه پردو، به همراه دانشجویان دکتری هائویون هوانگ، وسیم حسین و اخیراً فارغ‌التحصیل دکترا شان مایرز، این کشف را از پردیس وست لافایت پردو هدایت کردند. کساتی تأیید می کند که نویسنده اصلی، هوانگ، تصور، نظارت بر اندازه گیری ها، و نوشتن بسیاری از نسخه های خطی را داشته است. تمام اندازه گیری های دمای بسیار پایین در آزمایشگاه ساختمان فیزیک Csathy تکمیل شد. در آزمایشگاه او، آنها تحقیقاتی را در مورد فیزیک الکترون بسیار همبسته انجام می دهند که گاهی اوقات فیزیک الکترون توپولوژیکی نامیده می شود.

برهمکنش ضعیف الکترون ها به خوبی ثابت شده است و رفتار کاملاً قابل پیش بینی است. هنگامی که الکترون‌ها برهمکنش ضعیفی دارند، الکترون معمولاً یک بلوک طبیعی کل سیستم در نظر گرفته می‌شود. اما وقتی الکترون‌ها به شدت برهم‌کنش می‌کنند، تفسیر رفتار سیستم با تفکر در مورد تک تک الکترون‌ها تقریباً غیرممکن می‌شود.

Csathy می‌گوید: «این در موارد بسیار کمی اتفاق می‌افتد، مثلاً در رژیم کوانتومی جزئی هال که ما مطالعه می‌کنیم. برای توضیح حالات هال کوانتومی کسری، فرمیون مرکب، یک بلوک ساختمانی بنیادی بسیار شهودی، در طعم‌های مختلفی وجود دارد. آنها می توانند کل زیر مجموعه حالت های هال کوانتومی کسری را توضیح دهند. اما همه حالت‌های هال کوانتومی کسری که کاملاً توسعه‌یافته (یعنی از نظر توپولوژیکی محافظت شده‌اند) فقط توسط دو نوع فرمیون مرکب قابل محاسبه هستند: فرمیون‌های مرکب دو جریانی و چهار جریانی. در اینجا یک حالت هال کوانتومی کسری جدید را گزارش می‌کنیم که نمی‌تواند با هیچ یک از این ایده‌های قبلی توضیح داده نمی‌شود، در عوض، ما باید وجود نوع جدیدی از ذرات نوظهور، به اصطلاح فرمیون‌های ترکیبی شش جریانی را احضار کنیم. کشف حالات هال کوانتومی کسری جدید به اندازه کافی نادر است. با این حال، کشف یک ذره نوظهور جدید در فیزیک ماده متراکم واقعاً نادر و شگفت‌انگیز است.”

در حال حاضر، از این ایده ها برای گسترش درک ما از آرایش حالت های کوانتومی کسری شناخته شده هال در یک “جدول تناوبی” استفاده می شود. چیزی که در مورد این فرآیند قابل توجه است این است که ذره فرمیون مرکب حاصل از این نظر منحصر به فرد است که الکترون شش کوانتای کوانتیزه شار مغناطیسی را می گیرد و پیچیده ترین فرمیون مرکب شناخته شده تا به امروز را تشکیل می دهد.

هائویون هوانگ، دانشجوی دکترای Csathy می‌گوید: «عدد شناسی این پازل پیچیده فیزیک به صبر زیادی نیاز دارد. برای مثال حالت کسری nu=2/3 را در نظر بگیرید. از 2/3=2/(2*2-1)، حالت nu=2/3 متعلق به خانواده دو جریانی است. به همین ترتیب، برای حالت کسری nu=2/7، 2/7=2/(2*4-1)، بنابراین این حالت متعلق به خانواده چهار جریان است. در مقابل، حالات کسری که ما پیدا کردیم با 2/11=2/(2* نزدیک هستند.6-1). قبل از کار ما، هیچ حالت کوانتومی کسری کامل کوانتومی هال که بتواند با فرمیون های شش شار مرکب مرتبط باشد، مشاهده نشده بود. وضعیت در جبهه تئوری کاملاً متفاوت بود: وجود این نوع فرمیون‌های مرکب توسط جینندرا جین در نظریه بسیار تأثیرگذار فرمیون‌های مرکب که در سال 1989 منتشر شد، پیش‌بینی کرده بود. کوانتیزاسیون مرتبط در طول آن 34 سال مشاهده نشد.

مواد مورد استفاده در این مطالعه توسط تیمی در دانشگاه پرینستون به سرپرستی لورن فایفر تولید شد. کیفیت الکتریکی نیمه هادی GaAs نقش زیادی در موفقیت این تحقیق داشت. به گفته Csathy، این گروه پرینستون در تولید مواد مبتنی بر GaAs با بالاترین کیفیت در جهان پیشرو است.

او می‌گوید: «GaAs که آنها رشد می‌کنند بسیار خاص است، زیرا تعداد نقص‌ها به طرز شگفت‌انگیزی کم است. “ترکیب تخصص کم بی نظمی و اندازه گیری دمای بسیار پایین در آزمایشگاه Csathy این پروژه را ممکن کرد. یکی از دلایلی که ما این نمونه‌ها را اندازه‌گیری می‌کنیم این است که اخیراً گروه پرینستون کیفیت نیمه‌رسانای GaAs را تا حد زیادی بهبود بخشیده است، همانطور که با مقادیر کم نقص‌های موجود اندازه‌گیری می‌شود. این نمونه‌های بهبود یافته مطمئناً به ایجاد بستری برای فیزیک جدید ادامه خواهند داد.”

این کشف هیجان انگیز بخشی از تحقیقات در حال انجام توسط تیم Csathy است. این تیم همچنان به دنبال کردن مرزهای اکتشاف در تعقیب بی‌امان فیزیک الکترونیک توپولوژیکی ادامه می‌دهد.

اندازه گیری دمای پایین در آزمایشگاه Csathy توسط وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علوم، برنامه علوم پایه انرژی، تحت شماره جایزه DE-SC0006671 پشتیبانی می شود. تلاش‌های تیم پرینستون برای رشد نمونه با کمک مالی بنیاد گوردون و بتی مور شماره GBMF 4420 و بنیاد ملی علوم کمک مالی شماره DMR-1420541 MRSEC پشتیبانی شد.