Странный “ нейтральный электрон ”, возможно, обнаружен в новом состоянии вещества
Ранее неизвестная квантовая частица – эквивалент нейтрального электрона – могла быть обнаружена в новом состоянии вещества.
Однако беззарядный чудак не будет одним из основных строительных блоков материи. Скорее, это будет квазичастица, возникающая в результате коллективного поведения материала только при подходящих условиях. В новом исследовании эти условия наблюдались в листах полуметаллического кристалла, которые демонстрировали странное электромагнитное поведение.
«Если наши интерпретации верны, мы видим принципиально новую форму квантовой материи», – сказал физик из Принстонского университета Санфэн Ву. Ву – старший автор нового исследования, описывающего открытие 4 января в журнале Nature.
Он и его коллеги следили за этим, основываясь на намеках предыдущих экспериментов на странное поведение тонкого листа кристаллического материала дителлурида вольфрама. Материал проводит электричество, как металл в массе, но он является сильным изолятором в виде «монослоя» – слоя толщиной всего в один атом – потому что подвижные электроны тока блокируются его неподвижными электронами, которые становятся намного сильнее в таком случае. – так называемый «двухмерный» лист, – сказал Ву Live Science в электронном письме.
В рамках своих исследований исследователи подвергли монослой воздействию переменного магнитного поля при низких температурах, когда квантовые эффекты становятся более выраженными, и измерили, насколько он сопротивляется электрическому току. (Магнетизм и электричество тесно связаны; когда магнитное поле меняет силу, электроны начинают течь, а текущие электроны создают магнитное поле.)
Обычные материалы демонстрируют своеобразное поведение в этих условиях: металлы проявляют явление, называемое «квантовыми колебаниями», при котором их удельное сопротивление быстро переключается между различными значениями.
Ву объяснил, что квантовые колебания возникают из-за того, что электроны материала перемещаются между своим нормальным классическим состоянием и квантово-механическими состояниями, вызванными их круговым движением в магнитном поле – по сути, это тип квантовой «суперпозиции», когда электрон может занимать несколько разных состояний в один раз.
Но изоляторы не показывают квантовых колебаний; и поэтому Ву и его коллеги были удивлены, увидев, что удельное сопротивление монослоя дителлурида вольфрама начало колебаться при увеличении магнитного поля – характерное поведение металла.
«Это стало полной неожиданностью», – сказал он. «Мы спросили себя:« Что здесь происходит? » Мы еще не до конца понимаем это ».
Путешествие с самого начала нашего существования как вида, изучение того, как мы появились и как развивалась наша иммунная система, эмоции и даже страхи. Познакомьтесь с некоторыми из величайших умов науки и узнайте, как были созданы вакцины, как освещается световой спектр и как мы объясняем явления, от «вампиров» до внетелесных переживаний. Изучите мощь ядерного синтеза и бесконечные возможности, предлагаемые квантовой механикой, и многое другое в «Книге невероятной науки».
Квантовая осцилляция
Физики открыли квантовые осцилляции почти столетие назад. Металлы обычно имеют низкое удельное сопротивление – их внешние электроны не связаны прочно внутри своих родительских атомов, поэтому металлы позволяют мобильным электронам течь и проводить электрический ток.
В ранних экспериментах исследователи подвергали металл воздействию магнитного поля при сверхнизких температурах и обнаружили, что удельное сопротивление материала сначала увеличивалось, а затем начинало переключаться между более высокими и низкими уровнями.
Теперь известно, что достаточно сильное магнитное поле заставляет электроны в металле переключаться между их нормальным классическим состоянием и их круговыми квантово-механическими состояниями, вызывая колебания удельного сопротивления металла; По словам Ву, квантовые колебания стали стандартным инструментом для характеристики многих свойств металлов.
Напротив, электроны в изоляционных материалах не могут двигаться, поэтому они плохо проводят электрический ток и имеют очень высокое сопротивление. Изоляторы обычно не показывают квантовых колебаний, независимо от того, насколько сильным магнитное поле.
По словам Ву, квантовые осцилляции, наблюдаемые в предположительно изолирующем монослое дителлурида вольфрама, были неожиданными.
Хотя у материала было высокое удельное сопротивление, оно начало колебаться между более высокими и низкими уровнями удельного сопротивления по мере увеличения напряженности магнитного поля. Это колебание указывает на то, что электроны материала переходят в квантованные фазы, вызванные магнитным полем – фундаментальным свойством металла, но в сильном изоляторе, сказал он.
Новое дело
По словам Ву, современная физика не объясняет это открытие, и он и его команда выдвигают гипотезу, что наблюдаемые колебания вызваны ранее неизвестной формой квантовой материи.
Они думают, что квантовые осцилляции можно объяснить невиданными ранее «квазичастицами», которые возникают из неподвижных электронов, когда монослой дителлурида вольфрама подвергается воздействию достаточно сильного магнитного поля. И они предполагают, что эта квазичастица является «нейтральным фермионом» – эквивалентом электрона, но без электрического заряда.
Нормальные заряженные фермионы – это либо отрицательно заряженные электроны, либо положительно заряженные «дырки», которые воспринимаются как поток тока в металле – электроны фактически текут в направлении, противоположном току.
Но исследователи считают, что их нейтральные фермионы могут существовать и быть мобильными в изоляторе, вызывая взаимодействия между током и нейтральными частицами, которые возникают из неподвижных электронов, которые можно обнаружить как квантовые колебания.
«Здесь заряженно-нейтральные фермионы представляют собой возникающую частицу из-за коллективного поведения сильно взаимодействующей многоэлектронной системы», – сказал Ву. “Так это не [one of] «элементарные частицы в Стандартной модели», – сказал он, имея в виду модель, которая управляет иногда причудливым миром физики элементарных частиц.
В настоящее время они планируют способы проверки своей гипотезы о «нейтральных фермионах» в дителлуриде вольфрама и ищут другие изоляторы, которые также развивают квантовые осцилляции, сказал он.
«На данном этапе трудно представить себе будущие приложения, но я уверен, что это будет связано с нашими будущими квантовыми технологиями», – сказал Ву. Точно так же «трудно было представить себе современную электронику, когда электрон впервые увидел».
Команда Ву подготовила свои монослои дителлурида вольфрама, постепенно «сбривая» его чешуйки все более тонкой обычной липкой лентой.
Хотя это звучит просто, этот так называемый «метод скотча» обычно используется для создания монослоев подходящих материалов и привел к открытию «двумерных» материалов, таких как графен, который был удостоен Нобелевской премии по физике в 2010 году.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
