Vilka slags "partiklar" tillåts av naturen? Svaret ligger i teorin om kvantmekanik, som beskriver den mikroskopiska världen.

I ett försök att sträcka gränserna för vår förståelse av kvantvärlden, UC Santa Barbara-forskare har utvecklat en enhet som kan bevisa förekomsten av icke-abeliska personer, en kvantpartikel som matematiskt har förutsetts existera i tvådimensionellt utrymme, men hittills inte klart visat. Förekomsten av dessa partiklar skulle bana väg mot stora framsteg inom topologisk kvantberäkning.

I en studie som visas i tidskriften Natur , fysikern Andrea Young, hans doktorand Sasha Zibrov och deras kollegor har tagit ett steg mot att hitta avgörande bevis för icke-abeliska personer. Med hjälp av grafen, ett atomtunt material som härrör från grafit (en form av kol), de utvecklade en extremt låg defekt, mycket avstämbar enhet där icke-abeliska personer borde vara mycket mer tillgängliga. Först, lite bakgrund:I vårt tredimensionella universum, elementära partiklar kan antingen vara fermioner eller bosoner:tänk elektroner (fermioner) eller Higgs (en boson).

"Skillnaden mellan dessa två typer av" kvantstatistik "är grundläggande för hur materia beter sig, "Sa Young. Till exempel, fermioner kan inte uppta samma kvanttillstånd, tillåter oss att skjuta runt elektroner i halvledare och förhindra att neutronstjärnor kollapsar. Bosoner kan ockupera samma stat, som leder till spektakulära fenomen som kondens från Bose-Einstein och supraledning, han förklarade. Kombinera några fermioner, som protonerna, neutroner, och elektroner som utgör atomer och du kan få endera typen, men undvik aldrig dikotomin.

I ett tvådimensionellt universum, dock, fysikens lagar möjliggör en tredje möjlighet. Känd som "anyons, "denna typ av kvantpartikel är varken ett boson eller ett fermion, utan snarare något helt annat - och några typer av alla, känd som icke-abeliska personer, behålla ett minne av deras tidigare stater, kodning av kvantinformation över långa avstånd och bildar de teoretiska byggstenarna för topologiska kvantdatorer.

Även om vi inte lever i ett tvådimensionellt universum, när den är begränsad till ett mycket tunt ark eller en materialplatta, elektroner gör. I detta fall, någon kan uppstå som "kvasipartiklar" från korrelerade tillstånd hos många elektroner. Att störa ett sådant system, säg med en elektrisk potential, leder till att hela systemet omarrangeras precis som om någon hade flyttat.

Jakten på icke-abelska personer börjar med att identifiera de kollektiva stater som är värd för dem. "I fraktionerade kvant Hall -tillstånd - en typ av kollektivt elektrontillstånd som endast observeras i tvådimensionella prover vid mycket höga magnetfält - är kvaspartiklarna kända för att ha exakt en rationell bråkdel av elektronladdningen, antyder att de är någon, "Sa Young.

"Matematiskt, Säker, icke-abelsk statistik är tillåten och till och med förutsagd för vissa fraktionerade kvant Hall-tillstånd. "fortsatte han. Men forskare inom detta område har begränsats av värdstaternas bräcklighet i halvledarmaterialet där de vanligtvis studeras. I dessa strukturer, kollektivstaterna själva uppträder endast vid exceptionellt låga temperaturer, vilket gör det dubbelt svårt att utforska de unika kvantegenskaperna hos enskilda personer.

Graphene visar sig vara ett idealiskt material för att bygga enheter för att söka efter de gäckande alla. Men, medan forskare hade byggt grafenbaserade enheter, andra material som omger grafenarket-såsom glasunderlag och metallgrindar-införde tillräckligt med störningar för att förstöra eventuella signaturer från icke-abeliska stater, Zibrov förklarade. Grafenen är bra, det är miljön som är problemet, han sa.

Lösningen? Mer atomiskt tunt material.

"Vi har äntligen nått en punkt där allt i enheten är gjord av tvådimensionella enkristaller, "sa Young." Så inte bara själva grafen, men dielektriken är enstaka kristaller av sexkantiga bornitrid som är platta och perfekta och grindarna är enstaka kristaller av grafit som är platta och perfekta. "Genom att anpassa och stapla dessa platta och perfekta kristaller av material ovanpå varandra, laget uppnådde inte bara ett system med mycket låg sjukdom, men en som också är extremt avstämbar.

"Förutom att inse dessa stater, vi kan ställa in mikroskopiska parametrar på ett mycket välkontrollerat sätt och förstå vad som gör dessa tillstånd stabila och vad som destabiliserar dem, "Sa Young. Den fina graden av experimentell kontroll - och eliminering av många okända - gjorde att laget teoretiskt kunde modellera systemet med hög noggrannhet, bygga förtroende för sina slutsatser.

Materialförskottet ger dessa ömtåliga excitationer en viss robusthet, med de nödvändiga temperaturerna nästan tio gånger högre än vad som behövs i andra materialsystem. Att föra icke-abelsk statistik till ett mer bekvämt temperaturintervall visar en möjlighet för inte bara undersökningar av grundläggande fysik, men reigniterar hopp om att utveckla en topologisk kvantbit, som skulle kunna ligga till grund för en ny sorts kvantdator. Non-Abelian anyons är speciella genom att de anses kunna bearbeta och lagra kvantinformation oberoende av många miljöeffekter, en stor utmaning när det gäller att förverkliga kvantdatorer med traditionella medel.

Men, säger fysikerna, första saker först. Att direkt mäta kvantegenskaperna hos de framväxande kvasipartiklarna är mycket utmanande, Zibrov förklarade. Även om vissa egenskaper - såsom fraktionell laddning - definitivt har visats, definitivt bevis på icke-abelsk statistik-mycket mindre utnyttjande av icke-etiketter för kvantberäkning-har förblivit långt utom räckhåll för experiment. "Vi vet inte riktigt ännu experimentellt om det finns icke-abeliska människor, "Sa Zibrov.

"Våra experiment hittills överensstämmer med teorin, som berättar att några av de stater vi observerade bör vara icke-abeliska, men vi har fortfarande ingen experimentell rökpistol. "

"Vi vill ha ett experiment som faktiskt visar ett fenomen som är unikt för icke-abelsk statistik, "sa Young, som har vunnit många utmärkelser för sitt arbete, inklusive National Science Foundation's CAREER Award. "Nu när vi har ett material som vi förstår riktigt bra, det finns många sätt att göra detta - vi får se om naturen samarbetar! "