|
Экситоны демонстрируют захватывающие квантовые тайны
|
|
|
|
Непредсказуемый квантовый мир стал еще более удивительным благодаря физикам из Университета Брауна и открытию неожиданного поведения частиц, называемых дробными экситонами. Странные квантовые модели поведения, такие как одновременное присутствие в нескольких местах, мгновенная связь на больших расстояниях и прохождение сквозь твердые барьеры, давно заинтриговали физиков. Недавние открытия в Университете Брауна проливают свет на то, какие, казалось бы, невозможные свойства существуют на крошечном квантовом уровне.
|
|
|
|
“Наши результаты указывают на совершенно новый класс квантовых частиц, которые не несут общего заряда, но подчиняются уникальной квантовой статистике”, - сказал соавтор исследования Цзя Ли, доцент физики в университете Брауна. “Самое захватывающее заключается в том, что это открытие открывает ряд новых квантовых аспектов материи, открывая новые горизонты для будущих исследований, углубляя наше понимание фундаментальной физики и даже открывая новые возможности в квантовых вычислениях”.
|
|
|
|
Квантовые эффекты
|
|
|
|
В 1879 году американский физик Эдвин Холл открыл эффект Холла, при котором магнитное поле, приложенное к материалу с помощью электрического тока, создает измеримую разницу напряжений под прямым углом как к магнитному полю, так и к току. Сегодня эффект Холла является важным компонентом в разработке контроллеров для видеоигр.
|
|
|
|
|
|
|
На квантовом уровне возникает квантовый эффект Холла, когда чрезвычайно низкие температуры в сочетании с сильными магнитными полями позволяют “боковому” напряжению увеличиваться отдельными скачками. Еще более странным является дробный квантовый эффект Холла, когда эти скачки увеличиваются лишь на долю заряда электрона.
|
|
|
|
Команда Брауна разработала структуру из двух кусков двумерного наноматериала графена, изолированных друг от друга гексагональным кристаллом нитрида бора. Эта платформа позволила исследователям точно контролировать электрические заряды и создавать экситоны. Физики создали экситоны, объединив электрон с дыркой, то есть в отсутствие электрона. Подготовив экситоны, команда затем подвергла систему воздействию магнитных полей, в миллионы раз превышающих земные, чтобы наблюдать странные характеристики новых фракционных экситонов.
|
|
Неожиданные частицы
|
|
|
|
Экситоны, которые наблюдала команда Брауна, не поддавались обычной классификации. Как правило, элементарными частицами являются либо бозоны, либо фермионы. Бозоны могут находиться в одном и том же квантовом состоянии и сосуществовать с себе подобными, в то время как никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии из-за принципа исключения Паули. Гораздо меньшее число частиц подпадает под категорию аньонов, которая находится где-то посередине. Однако дробные экситоны демонстрировали поведение, специфичное для каждого из них, хотя и не были полностью похожи ни на один тип, действуя почти как гибрид.
|
|
|
|
“Это неожиданное поведение позволяет предположить, что дробные экситоны могут представлять собой совершенно новый класс частиц с уникальными квантовыми свойствами”, - сказал ведущий автор исследования Найюань Чжан. “Мы показываем, что экситоны могут существовать в режиме дробного квантования Холла и что некоторые из этих экситонов возникают в результате спаривания частичек с частичным зарядом, создавая дробные экситоны, которые не ведут себя как бозоны”.
|
|
Приложения для квантовых вычислений
|
|
|
|
Этот новый тип частиц - не просто научный курьез; он может найти очень важное применение в реальном мире. Эти частицы могут улучшить хранение информации и манипулирование ею, повысив скорость и надежность квантовых компьютеров.
|
|
|
|
“Мы, по сути, открыли новое измерение для изучения этого явления и манипулирования им, и мы только начинаем исследовать поверхность”, - сказал Ли. “Это первый раз, когда мы экспериментально показали, что такие типы частиц существуют, и теперь мы углубляемся в изучение того, что может из них получиться”.
|
|
|
|
В дальнейшем физики из Брауна работают над тем, чтобы понять, как эти частицы могут быть использованы в реальных целях. Следующее исследование команды будет сосредоточено на том, как взаимодействуют частичные экситоны и как люди могут эффективно контролировать свое поведение. Глубокое понимание их поведения может привести к появлению захватывающих приложений в области квантовых вычислений, в то время как для реализации этих идей потребуется более жесткий контроль.
|
|
|
|
“Такое ощущение, что мы держим руку на пульсе квантовой механики”, - сказал соавтор Д. Э. Фельдман. “Это аспект квантовой механики, о котором мы не знали или, по крайней мере, не ценили его до сих пор”.
|
|
|
|
Источник
|
