(Kai Fu für das Wu Lab, Princeton University) Metalle und Isolatoren sind das Yin und Yang der Physik, ihre jeweiligen Materialeigenschaften werden streng durch die Beweglichkeit ihrer Elektronen bestimmt – Metalle sollten Elektronen frei leiten, während Isolatoren sie an Ort und Stelle halten.
Als Physiker der Princeton University in den USA eine Quanteneigenart von Metallen entdeckten, die in einer isolierenden Verbindung herumhüpften, fehlten ihnen die Erklärungen.
Wir müssen auf weitere Studien warten, um herauszufinden, was genau vor sich geht. Eine verlockende Möglichkeit besteht jedoch darin, dass ein bisher unbekanntes Teilchen am Werk ist, das einen neutralen Grund im Elektronenverhalten darstellt. Sie nennen es „neutral“. Fermion '.
„Das kam völlig überraschend“ sagt Der Physiker Sanfeng Wu von der Princeton University in den USA.
„Wir fragten uns: ‚Was ist hier los?‘“ Wir verstehen es noch nicht ganz.'
Das Phänomen im Zentrum der Entdeckung ist Quantenschwingung . Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich dabei um das Hin- und Herschwingen frei beweglicher Teilchen unter bestimmten experimentellen Bedingungen.
Um es etwas technischer zu gestalten: Die Schwingungen treten auf, wenn ein Material auf ein Niveau abgekühlt wird, bei dem Quantenverhalten leichter vorherrscht, und ein Magnetfeld angelegt und variiert wird.
Das Auf- und Abdrehen des Magnetfelds führt dazu, dass ungebundene geladene Teilchen, wie etwa Elektronen, zwischen Energiebändern, den sogenannten Landau-Niveaus, gleiten.
Dabei handelt es sich um eine Technik, die üblicherweise zur Untersuchung der von Elektronen besetzten atomaren Landschaft in einem Material verwendet wird, insbesondere in solchen mit metallischen Eigenschaften.
Es wird angenommen, dass Isolatoren eine ganz andere Sache sind. Da ihre Elektronen strengen Anweisungen folgen, zu Hause zu bleiben, gibt es keine Quantenoszillationen. Zumindest sollten sie es nicht sein.
Das Team schaute zu tungsten ditelluride , einem seltsamen Halbmetall, das die Eigenschaften eines Isolators annimmt, wenn es in ein Magnetfeld getaucht wird – und waren überrascht, Quantenschwingungen zu beobachten.
Trotz des Schocks haben sie einige Gedanken darüber, was los sein könnte. Während eine fließende Ladung diesen Isolator zu einem Leiter machen würde (was ein Paradoxon ist), würde ein „Fluss“ neutraler Teilchen zur Beschreibung von Isolator und Quantenoszillator passen, was sinnvoller ist.
„Unsere experimentellen Ergebnisse stehen im Widerspruch zu allen bestehenden Theorien, die auf Ladungen basieren.“ Fermionen , könnte aber in Gegenwart ladungsneutraler Fermionen erklärt werden“, fügt hinzu Kollege Pengjie Wang.
Das einzige Problem ist das wirklich neutrale Fermionen sollte laut der nicht existieren Standardmodell der Teilchenphysik.
Fermionen sind Teilchen, die so etwas wie die „Legoblöcke“ der Materie sind, während die anderen Arten von Elementarteilchen dies tun Bosonen - ladungstragende Teilchen.
Ein wirklich neutrales Teilchen ist auch sein eigenes Antiteilchen – und das haben wir bei Bosonen gesehen, aber nie bei Fermionen.
Das Finden eines wirklich neutralen Fermions würde also wahrscheinlich unser Verständnis der Physik neu definieren, aber das ist nicht das, was die Forscher glauben, sondern vielmehr, was sie entdeckt haben neutrales Quasiteilchen , das ein Quanten-Hybridteilchen ist.
Um zu verstehen, was für ein Quasiteilchen Stellen Sie sich die Teilchenphysik als ein Studium der Musik vor.
Elementarteilchen wie Quarks und Elektronen sind individuelle Instrumente. Sie bilden die Grundlage für eine Vielzahl größerer Teilchen, von dreiteiligen Rockbanden wie Protonen bis hin zu Symphonien wie ganzen Atomen.
Bands, die synchron auf gegenüberliegenden Bühnen spielen, können sogar als ein einziges Ereignis betrachtet werden – ein Quasiteilchen, das im Grunde genommen als ein einziges Ereignis spielt.
Quantenverrücktheit kann die Eigenschaften von Elektronen auf eine Weise verzerren, die dazu führt, dass Bruchteile ihrer Ladung über Räume verteilt werden. Mit anderen Worten, ein Elektron Quasiteilchen wird einige Teile des Elektrons tragen, wie sein Spin , aber nicht seine Ladung, wodurch effektiv eine neutrale Version seiner selbst entsteht.
Welche Art von Quasiteilchen hier genau zum Einsatz kommt (falls überhaupt), muss noch geklärt werden, aber die Forscher beschreiben es als völliges Neuland, nicht nur im Experimentieren, sondern auch in der Theorie.
„Wenn unsere Interpretationen richtig sind, sehen wir eine grundlegend neue Form der Quantenmaterie“, sagt Wu.
„Wir stellen uns jetzt eine völlig neue Quantenwelt vor, die in Isolatoren verborgen ist.“ „Möglicherweise haben wir es in den letzten Jahrzehnten einfach versäumt, sie zu identifizieren.“
Neutrale Fermionen spielen möglicherweise eine Rolle bei der Verbesserung der Stabilität von Quantengeräten, daher wäre es mehr als eine akademische Kuriosität, hier Beweise dafür zu finden, mit vielversprechenden praktischen Anwendungen.
Es ist noch am Anfang. Aber so viele wissenschaftliche Entdeckungen sind aus diesen zeitlosen Worten hervorgegangen: „Was ist hier los?“
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .