Det ORNL-ledda forskarlaget valde en kristall sammansatt av kopparbromid - eftersom kopparjonen är idealisk för att studera exotiska kvanteffekter - för att observera det svårfångade Higgs amplitudläge i två dimensioner. Provet undersöktes med användning av kalla neutrontrippelaxliga spektrometerstrålar för neutronspridning vid högflödesisotopreaktorn. Kredit:Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory/Dept. av energi
Ett team ledd av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har använt sofistikerade neutronspridningstekniker för att detektera ett svårfångat kvanttillstånd som kallas Higgs amplitudläge i ett tvådimensionellt material.
Higgs-amplitudläget är en kusin till Higgs-bosonen med kondenserad materia, den stora kvantpartikeln som teoretiserades på 1960-talet och bevisades experimentellt 2012. Den är en av flera konstiga, kollektiva materiesätt som finns i material på kvantnivå. Genom att studera dessa lägen, forskare om kondenserad materia har nyligen upptäckt nya kvanttillstånd som kallas kvasipartiklar, inklusive Higgs-läget.
Dessa studier ger unika möjligheter att utforska kvantfysiken och tillämpa dess exotiska effekter i avancerad teknologi som spin-baserad elektronik, eller spintronics, och kvantberäkning.
"Att excitera ett materials kvantkvasipartiklar på ett sätt som gör att vi kan observera Higgs amplitudläge är ganska utmanande, sa Tao Hong, en instrumentforskare vid ORNL:s Quantum Condensed Matter Division.
Även om Higgs amplitudläge har observerats i olika system, "Higgs-läget skulle ofta bli instabilt och förfalla, förkorta möjligheten att karakterisera den innan du förlorar den ur sikte, " sa Hong.
ORNL:s Tao Hong analyserade en kopparbromidförenings lågenergibeteende under ett neutronspridningsexperiment vid labbets högflödesisotopreaktor som gav det svårfångade Higgs-amplitudläget i två dimensioner utan förfall. Kredit:Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory/Dept. av energi
Det ORNL-ledda teamet erbjöd en alternativ metod. Forskarna valde en kristall bestående av kopparbromid, eftersom kopparjonen är idealisk för att studera exotiska kvanteffekter, Hong förklarade. De började den känsliga uppgiften att "frysa" materialets agiterande kvantnivåpartiklar genom att sänka dess temperatur till 1,4 Kelvin, vilket är ungefär minus 457,15 grader Fahrenheit.
Forskarna finjusterade experimentet tills partiklarna nådde fasen som ligger nära den önskade kvantkritiska punkten - den söta punkten där kollektiva kvanteffekter spred sig över stora avstånd i materialet, vilket skapar de bästa förutsättningarna för att observera ett Higgs amplitudläge utan avklingning.
Med neutronspridning utförd vid ORNL:s högflödesisotopreaktor, forskargruppen observerade Higgs-läget med en oändlig livstid:inget förfall.
"Det pågår en debatt inom fysiken om stabiliteten hos dessa mycket känsliga Higgs-lägen, sa Alan Tennant, chefsforskare vid ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "Det här experimentet är verkligen svårt att göra, speciellt i ett tvådimensionellt system. Och, än, här är en tydlig observation, och det har stabiliserats."
Under experimentet med neutronspridning, provet innehållande kopparjoner uppvisade exotiska kvantegenskaper när vissa kvasipartiklar snurrar i en vågliknande konfiguration, så småningom avslöjar Higgs amplitudläge. Kredit:Oak Ridge National Laboratory/Dept. av energi
Forskargruppens observation ger nya insikter i de grundläggande teorierna bakom exotiska material inklusive supraledare, laddningstäthet vågsystem, ultrakalla bosoniska system och antiferromagneter.
"Dessa genombrott har en omfattande inverkan på vår förståelse av materialens beteende på atomär skala, " tillade Hong.
Studien, betitlad, "Direkt observation av Higgs amplitudläge i en tvådimensionell kvantantiferromagnet nära den kvantkritiska punkten, " publicerades i Naturfysik .
