Фізики відкрили новий стан матерії, прихований у квантовому світі

Ви знайомі зі станами матерії, з якими ми стикаємося щодня – твердим, рідким і газоподібним – але в більш екзотичних і екстремальних умовах можуть з’являтися нові стани, і вчені з США і Китаю виявили один з них на початку цього року.

Вони назвали його хіральним бозе-рідким станом, і, як і кожне нове розташування частинок, яке ми відкриваємо, він може розповісти нам більше про структуру і механізми Всесвіту навколо нас – зокрема, на надмалих квантових масштабах.

Стани матерії описують, як частинки можуть взаємодіяти одна з одною, утворюючи структури та різні способи поведінки. Зафіксуйте атоми на місці, і ви отримаєте тверде тіло. Дозвольте їм текти, і ви отримаєте рідину або газ. Змусьте заряджені партнерські зв’язки роз’єднатися, і ви отримаєте плазму.

Квантовий ландшафт забезпечує ще більш дивні способи взаємодії частинок, дозволяючи унікальну поведінку, яка найкраще описується в термінах можливості та енергії.

Дослідники відкрили новий стан за допомогою розладнаної квантової системи. Простіше кажучи, це система з вбудованими обмеженнями, які заважають частинкам взаємодіяти так, як вони могли б взаємодіяти зазвичай (звідси і фрустрація).

Ці обмеження – і, як наслідок, розчарування – можуть створювати захоплюючі результати для вчених. Тут дослідники зосередилися на електронах і використали аналогію з партійною грою для пояснення того, що відбувається.

“Це схоже на гру в музичні стільці, покликану розчарувати електрони”, – сказав фізик-теоретик конденсованих середовищ Тігран Седракян з Массачусетського університету в Амхерсті.

“Замість того, щоб кожен електрон мав один стілець, на який він може сісти, тепер вони повинні боротися і мати багато можливостей, де їм сісти”.

Система, яку дослідники зібрали разом, являла собою напівпровідниковий пристрій з двома шарами: верхнім шаром, багатим на електрони, і нижнім шаром з багатьма доступними отворами, в які електрони можуть природним чином переміщатися. У чому суть? Дірок не вистачає на всіх електронів.

Ілюстрація стрічки з ровом, типу фрустрованої системи, створеної вченими. (Тигран Седракян)

Хоча цей тип системи залишається складним для спостереження, команда використовувала надсильне магнітне поле, щоб виміряти рух електронів, виявивши перші докази нового хірального бозе-рідкого стану.

“На краю напівпровідникового бішару електрони і дірки рухаються з однаковими швидкостями”, – сказав фізик Лінджі Ду з Нанкінського університету в Китаї.

“Це призводить до гвинтоподібного транспорту, який може додатково модулюватися зовнішніми магнітними полями, оскільки електронні та діркові канали поступово розділяються під впливом більш високих полів”.

Цей новий стан виявив деякі досить цікаві властивості. Наприклад, електрони застигають у передбачуваному стані з фіксованим напрямком спіну при абсолютному нулі і не можуть бути порушені іншими частинками або магнітними полями. Така стабільність може знайти застосування в цифрових системах зберігання даних на квантовому рівні.

Більше того, зовнішні частинки, що впливають на один електрон, можуть впливати на всі електрони в системі завдяки відносно далекій квантовій заплутаності. Це все одно, що розбити кийову кулю об купу більярдних куль, і всі ці кулі у відповідь полетять у тому ж напрямку – ще одне відкриття, яке може виявитися корисним.

Хоча все це пов’язано з фізикою дуже високого рівня, кожне подібне відкриття – ці дивацтва і граничні випадки, які відбуваються за межами звичайних взаємодій частинок, – наближає нас до повного розуміння нашого світу.

“Ви знаходите квантові стани матерії на цих периферіях, і вони набагато дикіші, ніж три класичні стани, з якими ми стикаємося у повсякденному житті”, – сказав Седракян.

Дослідження опубліковане в журналі Nature..