Nya experimentella bevis på ett kollektivt beteende hos elektroner för att bilda "kvasipartiklar" som kallas "anyons" har rapporterats av ett team av forskare vid Purdue University.

Alla har egenskaper som inte ses i andra subatomära partiklar, inklusive uppvisande av fraktionell laddning och fraktionsstatistik som upprätthåller ett "minne" av deras interaktioner med andra kvasipartiklar genom att inducera kvantmekaniska fasförändringar.

Postdoktoral forskningsassistent James Nakamura, med hjälp av forskargruppens medlemmar Shuang Liang och Geoffrey Gardner, gjorde upptäckten när han arbetade i laboratoriet för professor Michael Manfra. Manfra är en framstående professor i fysik och astronomi, Purdues Bill och Dee O'Brien ordförande professor i fysik och astronomi, professor i el- och datateknik, och professor i materialteknik. Även om detta arbete så småningom kan visa sig vara relevant för utvecklingen av en kvantdator, tills vidare, Manfra sa, det är att betrakta som ett viktigt steg för att förstå kvasipartiklarnas fysik.

En forskningsartikel om upptäckten publicerades i veckans Naturfysik .

Nobelprisvinnande teoretiska fysikern Frank Wilczek, professor i fysik vid MIT, gav dessa kvasipartiklar tunga-i-kind-namnet "anyon" på grund av deras konstiga beteende eftersom till skillnad från andra typer av partiklar, de kan anta "vilken som helst" kvantfas när deras positioner utbyts.

Innan det växande beviset på någon under 2020, fysiker hade kategoriserat partiklar i den kända världen i två grupper:fermioner och bosoner. Elektroner är ett exempel på fermioner, och fotoner, som utgör ljus och radiovågor, är bosoner. En karakteristisk skillnad mellan fermioner och bosoner är hur partiklarna fungerar när de slingas, eller flätad, runt varandra. Fermions svarar på ett enkelt sätt, och bosoner på ett annat förväntat och okomplicerat sätt.

Alla svarar som om de har en fraktionell laddning, och ännu mer intressant, skapa en faslös förändring när de flätar runt varandra. Detta kan ge vem som helst en typ av "minne" av deras interaktion.

"Någon existerar bara som kollektiva excitationer av elektroner under särskilda omständigheter, "Manfra sa." Men de har dessa bevisligen coola egenskaper, inklusive fraktionell laddning och bråkstatistik. Det är roligt, för du tror, 'Hur kan de ha mindre laddning än elementär laddning för en elektron?' Men det gör de. "

Manfra sa att när bosoner eller fermioner byts ut, de genererar en fasfaktor antingen plus en eller minus en, respektive.

"När det gäller våra alla var fasen som genererades genom flätning 2π/3, "sa han." Det är annorlunda än vad som har setts i naturen tidigare. "

Alla visar detta beteende endast som kollektiva folkmassor, där många elektroner beter sig som en under mycket extrema och specifika förhållanden, så de anses inte vara isolerade i naturen, Sa Nakamura.

"Normalt i fysikens värld, vi tänker på grundläggande partiklar, såsom protoner och elektroner, och alla saker som utgör det periodiska systemet, "sa han." Men vi studerar förekomsten av kvasipartiklar, som kommer från ett hav av elektroner som är placerade under vissa extrema förhållanden. "

Eftersom detta beteende beror på hur många gånger partiklarna flätas, eller looped, runt varandra, de är mer robusta i sina egenskaper än andra kvantpartiklar. Denna egenskap sägs vara topologisk eftersom den beror på systemets geometri och kan så småningom leda till mycket mer sofistikerade strukturer som kan användas för att bygga stabila, topologiska kvantdatorer.

Teamet kunde visa detta beteende genom att leda elektronerna genom en specifik labyrintliknande etsad nanostruktur gjord av galliumarsenid och aluminiumgalliumarsenid. Denna apparat, kallas en interferometer, begränsade elektronerna att röra sig i en tvådimensionell väg. Enheten kyldes till inom en hundradels grad från absolut noll (10 millikelvin), och utsatt för ett kraftfullt 9-Tesla magnetfält. Interferometerns elektriska motstånd genererade ett störningsmönster som forskarna kallade en "pyjamasplot". Hopp i interferensmönstret var signaturen på närvaron av någon.

"Det är definitivt en av de mer komplexa och komplicerade sakerna som ska göras inom experimentell fysik, "Chetan Nayak, teoretisk fysiker vid University of California, Santa Barbara berättade för Science News.

Nakamura sa att anläggningarna på Purdue skapade miljön för denna upptäckt att hända.

"Vi har tekniken för att odla den galliumarsenid -halvledare som behövs för att förverkliga vårt elektronsystem. Vi har nanofabriceringsanläggningar i Birck Nanotechnology Center för att göra interferometern, enheten vi använde i våra experiment. På fysikavdelningen, vi har förmågan att mäta ultralåga temperaturer och skapa starka magnetfält. "sa han." Så, Vi har alla nödvändiga komponenter som gjorde att vi kunde göra denna upptäckt här på Purdue. Det är en bra sak med att forska här och varför vi har kunnat göra dessa framsteg. "

Manfra sa att nästa steg i kvasipartikelgränsen kommer att innebära att bygga mer komplicerade interferometrar.

"I de nya interferometrarna kommer vi att kunna styra platsen och antalet kvasipartiklar i kammaren, "sa han." Då kommer vi att kunna ändra antalet kvasipartiklar inuti interferometern på begäran och ändra interferensmönstret som vi väljer. "