I en överraskande upptäckt, Princeton -fysiker har observerat ett oväntat kvantbeteende i en isolator tillverkad av ett material som kallas volfram ditellurid. Detta fenomen, känd som kvantoscillation, observeras vanligtvis i metaller snarare än i isolatorer, och dess upptäckt ger nya insikter i vår förståelse av kvantvärlden. Fynden antyder också att det finns en helt ny typ av kvantpartikel.

Upptäckten utmanar en sedan länge hållen skillnad mellan metaller och isolatorer, för i den etablerade kvantteorin om material, isolatorer trodde man inte kunde uppleva kvantoscillationer.

"Om våra tolkningar är korrekta, vi ser en grundläggande ny form av kvantämne, "sa Sanfeng Wu, biträdande professor i fysik vid Princeton University och seniorförfattare till en nyligen publicerad uppsats i Natur som beskriver denna nya upptäckt. "Vi föreställer oss nu en helt ny kvantvärld gömd i isolatorer. Det är möjligt att vi helt enkelt har missat att identifiera dem under de senaste decennierna."

Observationen av kvantoscillationer har länge ansetts vara ett kännetecken för skillnaden mellan metaller och isolatorer. I metaller, elektroner är mycket rörliga, och resistivitet - motståndet mot elektrisk ledning - är svagt. För nästan ett sekel sedan, forskare observerade att ett magnetfält, i kombination med mycket låga temperaturer, kan få elektroner att skifta från ett "klassiskt" tillstånd till ett kvanttillstånd, orsakar svängningar i metallens resistivitet. I isolatorer, däremot, elektroner kan inte röra sig och materialen har mycket hög resistivitet, så kvantoscillationer av detta slag förväntas inte inträffa, oavsett styrkan på magnetfältet.

Upptäckten gjordes när forskarna studerade ett material som heter wolfram ditellurid, som de gjorde till ett tvådimensionellt material. De förberedde materialet med hjälp av standardtejp för att alltmer exfoliera, eller "raka, "lagren ner till det som kallas ett monoskikt-ett enda atom-tunt lager. Tjockt volfram ditellurid beter sig som en metall. Men när det väl har omvandlats till ett monoskikt, det blir en mycket stark isolator.

"Detta material har många speciella kvantegenskaper, "Sa Wu.

Forskarna började sedan mäta motståndskraften för monoskikts volfram ditellurid under magnetfält. Till deras förvåning, isolatorns resistivitet, trots att den är ganska stor, började svänga när magnetfältet ökade, indikerar övergången till ett kvanttillstånd. I själva verket, materialet - en mycket stark isolator - uppvisade en metalls mest anmärkningsvärda kvantegenskap.

"Detta kom som en fullständig överraskning, "Wu sa." Vi frågade oss själva, 'Vad händer här?' Vi förstår det inte helt ännu. "

Wu noterade att det inte finns några aktuella teorier för att förklara detta fenomen.

Ändå, Wu och hans kollegor har lagt fram en provocerande hypotes - en form av kvantämne som är neutralt laddad. "På grund av mycket starka interaktioner, elektronerna organiserar sig själva för att producera denna nya typ av kvantämne, "Sa Wu.

Men det är i slutändan inte längre elektronerna som pendlar, sa Wu. Istället, forskarna tror att nya partiklar, som de har kallat "neutrala fermioner, "föds ur dessa starkt interagerande elektroner och är ansvariga för att skapa denna mycket anmärkningsvärda kvanteffekt.

Fermioner är en kategori av kvantpartiklar som inkluderar elektroner. I kvantmaterial, laddade fermioner kan vara negativt laddade elektroner eller positivt laddade "hål" som är ansvariga för den elektriska ledningen. Nämligen, om materialet är en elektrisk isolator, dessa laddade fermioner kan inte röra sig fritt. Dock, partiklar som är neutrala - det vill säga varken negativt eller positivt laddat - är teoretiskt möjligt att vara närvarande och rörliga i en isolator.

"Våra experimentella resultat strider mot alla befintliga teorier baserade på laddade fermioner, "sa Pengjie Wang, medförste författare på tidningen och postdoktoral forskningsassistent, "men kan förklaras i närvaro av laddneutrala fermioner."

Princeton -teamet planerar ytterligare undersökningar av kvantegenskaperna hos volfram ditellurid. De är särskilt intresserade av att upptäcka om deras hypotes - om existensen av en ny kvantpartikel - är giltig.

"Detta är bara utgångspunkten, "Wu sa." Om vi ​​har rätt, framtida forskare kommer att hitta andra isolatorer med denna överraskande kvantegenskap. "

Trots forskningens nyhet och den preliminära tolkningen av resultaten, Wu spekulerade i hur detta fenomen skulle kunna användas praktiskt.

"Det är möjligt att neutrala fermioner kan användas i framtiden för kodning av information som skulle vara användbar vid kvantberäkning, "sa han." Under tiden, fastän, vi är fortfarande i de mycket tidiga stadierna av att förstå kvantfenomen som detta, så grundläggande upptäckter måste göras. "