Een team onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft geavanceerde neutronenverstrooiingstechnieken gebruikt om een ​​ongrijpbare kwantumtoestand te detecteren die bekend staat als de Higgs-amplitudemodus in een tweedimensionaal materiaal.

De Higgs-amplitudemodus is een neef van de gecondenseerde materie van het Higgs-deeltje, het legendarische kwantumdeeltje getheoretiseerd in de jaren zestig en experimenteel bewezen in 2012. Het is een van een aantal eigenzinnige, collectieve vormen van materie gevonden in materialen op kwantumniveau. Door deze modi te bestuderen, onderzoekers van gecondenseerde materie hebben onlangs nieuwe kwantumtoestanden ontdekt die bekend staan ​​als quasideeltjes, inclusief de Higgs-modus.

Deze studies bieden unieke kansen om de kwantumfysica te verkennen en de exotische effecten ervan toe te passen in geavanceerde technologieën zoals spin-gebaseerde elektronica, of spintronica, en kwantumcomputers.

"Het is een hele uitdaging om de kwantumquasideeltjes van een materiaal te exciteren op een manier die ons in staat stelt de Higgs-amplitudemodus te observeren, " zei Tao Hong, een instrumentwetenschapper bij ORNL's Quantum Condensed Matter Division.

Hoewel de Higgs-amplitudemodus in verschillende systemen is waargenomen, "de Higgs-modus zou vaak onstabiel worden en vervallen, het verkorten van de mogelijkheid om het te karakteriseren voordat het uit het oog wordt verloren, ' zei Hong.

Het door ORNL geleide team bood een alternatieve methode aan. De onderzoekers selecteerden een kristal bestaande uit koperbromide, omdat het koperion ideaal is voor het bestuderen van exotische kwantumeffecten, Hong uitgelegd. Ze begonnen met de delicate taak om de bewegende deeltjes op kwantumniveau van het materiaal te "bevriezen" door de temperatuur te verlagen tot 1,4 Kelvin, wat ongeveer min 457,15 graden Fahrenheit is.

De onderzoekers verfijnden het experiment totdat de deeltjes de fase bereikten die zich in de buurt van het gewenste kwantumkritieke punt bevond - de goede plek waar collectieve kwantumeffecten zich over grote afstanden in het materiaal verspreiden, wat de beste omstandigheden schept om een ​​Higgs-amplitudemodus te observeren zonder verval.

Met neutronenverstrooiing uitgevoerd in ORNL's High Flux Isotope Reactor, het onderzoeksteam observeerde de Higgs-modus met een oneindige levensduur:geen verval.

"Er is een voortdurend debat in de natuurkunde over de stabiliteit van deze zeer delicate Higgs-modi, " zei Alan Tennant, hoofdwetenschapper van het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "Dit experiment is echt moeilijk om te doen, vooral in een tweedimensionaal systeem. En, nog, hier is een duidelijke observatie, en het is gestabiliseerd."

De observatie van het onderzoeksteam biedt nieuwe inzichten in de fundamentele theorieën die ten grondslag liggen aan exotische materialen, waaronder supergeleiders, ladingsdichtheid golfsystemen, ultrakoude bosonische systemen en antiferromagneten.

"Deze doorbraken hebben een wijdverbreide impact op ons begrip van het gedrag van materialen op atomaire schaal, ’ voegde Hong eraan toe.

De studie, getiteld, "Directe observatie van de Higgs-amplitudemodus in een tweedimensionale kwantumantiferromagneet nabij het kwantumkritieke punt, " werd gepubliceerd in Natuurfysica .