Welke 'deeltjes' worden door de natuur toegelaten? Het antwoord ligt in de theorie van de kwantummechanica, die de microscopische wereld beschrijft.

In een poging om de grenzen van ons begrip van de kwantumwereld te verleggen, UC Santa Barbara-onderzoekers hebben een apparaat ontwikkeld dat het bestaan ​​van niet-Abelse anyons zou kunnen bewijzen, een kwantumdeeltje waarvan wiskundig voorspeld is dat het in de tweedimensionale ruimte bestaat, maar tot nu toe niet overtuigend aangetoond. Het bestaan ​​van deze deeltjes zou de weg vrijmaken voor grote vooruitgang in topologische kwantumcomputers.

In een studie die in het tijdschrift verschijnt Natuur , natuurkundige Andrea Young, zijn afgestudeerde student Sasha Zibrov en hun collega's hebben een sprong gemaakt in de richting van het vinden van sluitend bewijs voor niet-Abelse personen. Met behulp van grafeen, een atomair dun materiaal afgeleid van grafiet (een vorm van koolstof), ontwikkelden ze een extreem laag defect, zeer afstembaar apparaat waarin niet-Abelse iedereen veel toegankelijker zou moeten zijn. Eerst, een beetje achtergrond:In ons driedimensionale universum, elementaire deeltjes kunnen zowel fermionen als bosonen zijn:denk aan elektronen (fermionen) of het Higgs (een boson).

"Het verschil tussen deze twee soorten 'kwantumstatistieken' is fundamenteel voor hoe materie zich gedraagt, " zei Young. Bijvoorbeeld, fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand bezetten, waardoor we elektronen in halfgeleiders kunnen rondduwen en voorkomen dat neutronensterren instorten. Bosonen kunnen dezelfde toestand bezetten, wat leidt tot spectaculaire fenomenen zoals Bose-Einstein-condensatie en supergeleiding, hij legde uit. Combineer een paar fermionen, zoals de protonen, neutronen, en elektronen waaruit atomen bestaan ​​en je kunt beide typen krijgen, maar ontwijk nooit de tweedeling.

In een tweedimensionaal universum, echter, de wetten van de fysica laten een derde mogelijkheid toe. Bekend als "iedereen, " dit type kwantumdeeltje is noch een boson, noch een fermion, maar eerder iets heel anders - en sommige soorten van alles, bekend als niet-Abelse anyons, een herinnering aan hun vroegere toestanden bewaren, het coderen van kwantuminformatie over lange afstanden en het vormen van de theoretische bouwstenen voor topologische kwantumcomputers.

Hoewel we niet in een tweedimensionaal universum leven, wanneer beperkt tot een zeer dunne plaat of plaat materiaal, elektronen doen. In dit geval, anyons kunnen ontstaan ​​als "quasideeltjes" uit gecorreleerde toestanden van veel elektronen. Een dergelijk systeem verstoren, zeg met een elektrische potentiaal, leidt ertoe dat het hele systeem zich herschikt alsof iemand zich heeft verplaatst.

De jacht op niet-Abelse anyons begint met het identificeren van de collectieve staten die hen herbergen. "In fractionele quantum Hall-toestanden - een soort collectieve elektronentoestand die alleen wordt waargenomen in tweedimensionale monsters bij zeer hoge magnetische velden - is bekend dat de quasideeltjes precies een rationele fractie van de elektronenlading hebben, wat impliceert dat ze iemand zijn, ' zei Jong.

"Wiskundig, zeker, niet-Abelse statistieken zijn toegestaan ​​en zelfs voorspeld voor sommige fractionele quantum Hall-staten." vervolgde hij. wetenschappers op dit gebied zijn beperkt door de kwetsbaarheid van de gaststaten in het halfgeleidermateriaal waar ze doorgaans worden bestudeerd. In deze structuren de collectieve toestanden zelf verschijnen alleen bij uitzonderlijk lage temperaturen, waardoor het dubbel moeilijk wordt om de unieke kwantumeigenschappen van individuele anyons te onderzoeken.

Grafeen blijkt een ideaal materiaal te zijn om apparaten te bouwen om naar de ongrijpbare iedereen te zoeken. Maar, terwijl wetenschappers op grafeen gebaseerde apparaten bouwden, andere materialen rond de grafeenplaat, zoals glassubstraten en metalen poorten, zorgden voor voldoende wanorde om alle handtekeningen van niet-Abelse staten te vernietigen, Zibrov uitgelegd. Het grafeen is prima, het is het milieu dat het probleem is, hij zei.

De oplossing? Meer atomair dun materiaal.

"We hebben eindelijk een punt bereikt waarop alles in het apparaat is gemaakt van tweedimensionale eenkristallen, "zei Young. "Dus niet alleen het grafeen zelf, maar de diëlektrica zijn eenkristallen van hexagonaal boornitride die vlak en perfect zijn en de poorten zijn eenkristallen van grafiet die plat en perfect zijn." Door deze platte en perfecte kristallen van materiaal op elkaar te stapelen en te stapelen, het team bereikte niet alleen een systeem met een zeer lage stoornis, maar wel een die ook nog eens extreem afstembaar is.

"Naast het realiseren van deze staten, we kunnen microscopische parameters op een zeer goed gecontroleerde manier afstemmen en begrijpen wat deze toestanden stabiel maakt en wat ze destabiliseert, " zei Young. De fijne mate van experimentele controle - en eliminatie van veel onbekenden - stelde het team in staat om het systeem theoretisch met hoge nauwkeurigheid te modelleren, vertrouwen op te bouwen in hun conclusies.

De materiaalvooruitgang geeft deze fragiele excitaties een zekere mate van robuustheid, met de vereiste temperaturen die bijna tien keer hoger zijn dan nodig in andere materiaalsystemen. Door niet-Abelse statistiek in een handiger temperatuurbereik te brengen, biedt dit een kans voor niet alleen voor onderzoek naar fundamentele fysica, maar hernieuwt de hoop op het ontwikkelen van een topologische kwantumbit, die de basis zou kunnen vormen voor een nieuw soort kwantumcomputer. Niet-Abeliaanse anyons zijn speciaal omdat ze verondersteld worden in staat te zijn om kwantuminformatie te verwerken en op te slaan, onafhankelijk van vele omgevingseffecten, een grote uitdaging om quantumcomputers met traditionele middelen te realiseren.

Maar, zeggen de natuurkundigen, eerste dingen eerst. Het rechtstreeks meten van de kwantumeigenschappen van de opkomende quasideeltjes is een hele uitdaging, Zibrov uitgelegd. Hoewel sommige eigenschappen, zoals fractionele lading, definitief zijn aangetoond, definitief bewijs van niet-Abelse statistiek - laat staan ​​niet-abelse iedereen gebruiken voor kwantumberekening - is ver buiten het bereik van experimenten gebleven. "We weten experimenteel nog niet echt of er niet-Abeliaanse personen bestaan, ' zei Zibrov.

"Onze experimenten tot nu toe zijn consistent met de theorie, die ons vertelt dat sommige van de staten die we hebben waargenomen niet-Abeliaans zouden moeten zijn, maar we hebben nog steeds geen experimenteel smoking gun."

"We willen een experiment dat een fenomeen aantoont dat uniek is voor niet-Abelse statistieken, " zei Jong, die voor zijn werk talloze prijzen heeft gewonnen, waaronder de CAREER Award van de National Science Foundation. "Nu we een materiaal hebben dat we heel goed begrijpen, er zijn veel manieren om dit te doen - we zullen zien of de natuur meewerkt!"