Om den fraktionerade kvanthallsregimen var en serie motorvägar, skulle dessa motorvägar ha antingen två eller fyra körfält. Flödet av tvåflödes- eller fyrflödeskompositfermioner, som bilar i detta två- till fyraflödeskompositfermiontrafikscenario, förklarar naturligtvis de mer än 90 fraktionerade kvanthalltillstånden som bildas i en stor mängd olika värdmaterial. Fysiker vid Purdue University har dock nyligen upptäckt att fraktionerade kvant-Hall-regimer inte är begränsade till tvåflöden eller fyraflöden och har upptäckt förekomsten av en ny typ av emergent partikel, som de kallar sexflödeskompositfermion.
De har nyligen publicerat sina banbrytande resultat i Nature Communications .
Gabor Csathy, professor och chef för institutionen för fysik och astronomi vid Purdue University College of Science, tillsammans med Ph.D. studenter Haoyun Huang, Waseem Hussain och nyligen doktorer. examen Sean Myers, ledde denna upptäckt från West Lafayette campus i Purdue. Csathy krediterar huvudförfattaren Huang för att ha utformat och lett mätningarna och att ha skrivit en stor del av manuskriptet. Alla ultralåga temperaturmätningar genomfördes i Csathys Physics Building lab. Hans labb bedriver forskning om starkt korrelerad elektronfysik, ibland kallad topologisk elektronfysik.
Svag interaktion mellan elektroner är väl etablerad och beteendet är ganska förutsägbart. När elektroner interagerar svagt anses elektronen vanligtvis vara den naturliga byggstenen i hela systemet. Men när elektronerna interagerar starkt blir det nästan omöjligt att tolka det systemiska beteendet genom att tänka på individuella elektroner.
"Detta inträffar i väldigt få fall, som i fraktionerad kvant Hall-regimen som vi studerar, till exempel", säger Csathy. "För att förklara fraktionerade kvanthalltillstånd kommer den sammansatta fermionen, en mycket intuitiv grundläggande byggsten, i olika smaker. De kan stå för en hel delmängd av fraktionerade kvanthalltillstånd. Men alla de fullt utvecklade (d.v.s. topologiskt skyddade) , fraktionerade kvanthallstillstånd kan endast förklaras av två typer av kompositfermioner:tvåflödes- och fyrflödeskompositfermioner.
"Här rapporterade vi ett nytt fraktionerat kvantum Hall-tillstånd som inte kan förklaras av någon av dessa tidigare idéer. Istället måste vi åberopa existensen av en ny typ av emergent partikel, de så kallade sex-flödeskompositfermionerna. Upptäckten av nya fraktionerade kvanthallstillstånd är knappa nog. Upptäckten av en ny framväxande partikel i den kondenserade materiens fysik är verkligen sällsynt och fantastisk."
Tills vidare kommer dessa idéer att användas för att utöka vår förståelse av ordningen av de kända fraktionerade kvanthalltillstånden till ett "periodiskt system". Det är särskilt anmärkningsvärt för denna process att den framväxande sammansatta fermionpartikeln är unik genom att elektronen fångar sex kvantiserade magnetiska flödeskvantor, vilket bildar den mest invecklade sammansatta fermion som är känd hittills.
"Numerologin i detta komplicerade fysikpussel kräver en hel del tålamod", säger Haoyun Huang, Csathys Ph.D. studerande. "Ta nu=2/3 bråktillståndet som ett exempel. Sedan 2/3=2/(2*2 -1), tillhör nu=2/3-tillståndet tvåflödesfamiljen. På liknande sätt, för bråktillståndet nu=2/7, 2/7=2/(2*4 -1), så detta tillstånd tillhör familjen fyra flöden. Däremot är bråktillstånden vi upptäckte nära relaterade till 2/11=2/(2*6 -1). Innan vårt arbete sågs inget helt kvantiserat fraktionerat kvant-Hall-tillstånd som kunde associeras med sexflödeskompositfermioner. Situationen var helt annorlunda på teorifronten:Förekomsten av dessa typer av sammansatta fermioner förutspåddes av Jainendra Jain i hans mycket inflytelserika teori om sammansatta fermioner publicerad 1989. Den tillhörande kvantiseringen observerades inte under dessa 34 år."
Materialet som användes i denna studie odlades av ett team från Princeton University under ledning av Loren Pfeiffer. GaAs-halvledarkvaliteten spelade en stor roll i framgången för denna forskning. Enligt Csathy är denna Princeton-grupp ledande i världen när det gäller att odla GaAs-baserade material av högsta kvalitet.
"GaAs de odlar är väldigt speciella, eftersom antalet brister är förvånansvärt lågt", säger han. "Kombinationen av låg störning och expertis inom mätning av ultralåga temperaturer i Csathy-labbet gjorde det här projektet möjligt. En anledning till att vi mätte dessa prover är att Princeton-gruppen nyligen har förbättrat kvaliteten på GaAs-halvledaren avsevärt, som uppmätts. av de små mängderna defekter som finns. Dessa förbättrade prover kommer definitivt att fortsätta att utgöra en lekplats för ny fysik."
Denna spännande upptäckt är en del av pågående forskning av Csathys team. Teamet fortsätter att tänja på gränserna för upptäckter i sin ihärdiga strävan efter topologisk elektronfysik.
Mer information: Haoyun Huang et al, Evidens för topologiskt skydd härledd från Six-Flux Composite Fermions, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5
Tillhandahålls av Purdue University
