Відкрито новий стан матерії, прихований у квантовому світі

28 июня 2023 г., 19:16

Всі знайомі зі станами матерії, з якими ми стикаємося щодня, як-от твердий, рідкий і газоподібний, але в більш екзотичних і екстремальних умовах можуть з’являтися нові стани, і вчені зі США та Китаю щойно знайшли один такий.

Вони називають це хіральним бозе-рідинним станом, і, як і з кожним новим розташуванням частинок, яке ми виявляємо, воно може розповісти нам більше про структуру та механізми Всесвіту навколо нас – і, зокрема, про надмалу величину квантового масштабу.

Стан матерії описує, як частинки можуть взаємодіяти одна з одною, створюючи структури та різні способи поведінки. Зафіксуйте атоми на місці, і ви отримаєте тверде тіло. Дозвольте їм текти, у вас є рідина або газ. Іонезуйте газ, у вас є плазма.

Квантовий ландшафт надає ще дивніші способи взаємодії частинок, дозволяючи унікальну поведінку, яка найкраще описується з точки зору можливості та енергії.

Дослідники виявили новий стан через фрустровану квантову систему. Простіше кажучи, це система з вбудованими обмеженнями, які перешкоджають частинкам взаємодіяти, як вони могли б зазвичай (отже, розчарування, або науковою мовою — фрустрація).

Ці обмеження – і, як наслідок, фрустрація – можуть створити захоплюючі результати для вчених. Тут дослідники зосередилися на електронах і використали аналогію гри для гостей на вечірці, щоб пояснити, що відбувається.

«Це схоже на гру, в якій гравці марширують під музику навколо ряду стільців, кількість яких на один менше, ніж гравців, і борються за місця, коли музика припиняється. В даному випадку роль гравців виконують електрони», — каже фізик-теоретик конденсованої матерії Тигран Седракян з Університету Массачусетса в Амгерсті.

«Замість того, щоб у кожного електрона було крісло, яке він міг би зайняти, вони повинні змагатися за можливість сісти».

Дослідники створили напівпровідниковий пристрій із двома шарами: верхній, багатий електронами, і нижній із багатьма доступними отворами, куди електрони можуть проникати природним чином. Але отворів для всіх електронів не вистачає.

Хоча таку систему залишається важко спостерігати, команда використала надсильне магнітне поле, щоб виміряти, як рухаються електрони, виявивши перші докази нового хірального стану бозе-рідини.

«На краю напівпровідникового подвійного шару електрони та дірки рухаються з однаковими швидкостями, — говорить фізик Лінцзе Ду (Lingjie Du) з Нанкінського університету в Китаї. - Це призводить до спіралеподібного транспорту, який може додатково модулюватися зовнішніми магнітними полями, оскільки електронні та діркові канали поступово розділяються під більш високими полями».

Цей новий стан виявив деякі досить цікаві властивості. Наприклад, електрони заморозяться у передбачувану схему та будуть обертатися у фіксованому напрямі при абсолютному нулі, і їм не можуть заважати інші частинки чи магнітні поля. Ця стабільність може мати застосування в цифрових системах зберігання на квантовому рівні.

Більше того, зовнішні частинки, що впливають на один електрон, можуть впливати на всі електрони в системі завдяки квантовому заплутуванню на відносно великій відстані. Це схоже на врізання битка в пачку більярдних куль, і всі ці кулі рухаються в одному напрямку у відповідь – ще одне відкриття, яке може бути корисним.

Хоча все це стосується фізики дуже високого рівня, кожне таке відкриття – це дивацтва та крайні випадки, які відбуваються за межами звичайних взаємодій частинок – наближає нас до повного розуміння нашого світу.

«Ви знаходите вихід із квантових станів матерії на цих межах, і вони набагато дикіші, ніж три класичні стани, з якими ми стикаємось у повсякденному житті», — каже Седракян.