Nieuw experimenteel bewijs van een collectief gedrag van elektronen om "quasideeltjes" genaamd "anyons" te vormen, is gerapporteerd door een team van wetenschappers aan de Purdue University.

Anyons hebben kenmerken die niet worden gezien in andere subatomaire deeltjes, inclusief het vertonen van fractionele lading en fractionele statistieken die een "geheugen" behouden van hun interacties met andere quasideeltjes door kwantummechanische faseveranderingen te induceren.

Postdoctoraal onderzoeksmedewerker James Nakamura, met hulp van onderzoeksgroepleden Shuang Liang en Geoffrey Gardner, deed de ontdekking tijdens het werken in het laboratorium van professor Michael Manfra. Manfra is een Distinguished Professor in de natuur- en sterrenkunde, Purdue's Bill en Dee O'Brien leerstoel hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek, en hoogleraar materiaalkunde. Hoewel dit werk uiteindelijk relevant kan blijken te zijn voor de ontwikkeling van een kwantumcomputer, voor nu, Manfra zei, het moet worden beschouwd als een belangrijke stap in het begrijpen van de fysica van quasideeltjes.

Een onderzoekspaper over de ontdekking werd deze week gepubliceerd in Natuurfysica .

Nobelprijswinnaar theoretisch natuurkundige Frank Wilczek, hoogleraar natuurkunde aan het MIT, gaf deze quasideeltjes de ironische naam "anyon" vanwege hun vreemde gedrag omdat, in tegenstelling tot andere soorten deeltjes, ze kunnen "elke" kwantumfase aannemen wanneer hun posities worden uitgewisseld.

Voor het groeiende bewijs van iedereen in 2020, natuurkundigen hadden deeltjes in de bekende wereld in twee groepen ingedeeld:fermionen en bosonen. Elektronen zijn een voorbeeld van fermionen, en fotonen, waaruit licht en radiogolven bestaan, zijn bosonen. Een kenmerkend verschil tussen fermionen en bosonen is hoe de deeltjes werken wanneer ze een lus hebben, of gevlochten, om elkaar heen. Fermionen reageren op een eenvoudige manier, en bosonen op een andere verwachte en ongecompliceerde manier.

Iedereen reageert alsof ze een fractionele lading hebben, en nog interessanter, creëer een niet-triviale faseverandering terwijl ze om elkaar heen vlechten. Dit kan iedereen een soort "herinnering" geven aan hun interactie.

"Alles bestaat alleen als collectieve excitaties van elektronen onder speciale omstandigheden, " Zei Manfra. "Maar ze hebben deze aantoonbaar coole eigenschappen, waaronder fractionele lading en fractionele statistieken. Het is grappig, omdat je denkt, 'Hoe kunnen ze minder lading hebben dan de elementaire lading van een elektron?' Maar dat doen ze."

Manfra zei dat wanneer bosonen of fermionen worden uitgewisseld, ze genereren een fasefactor van plus één of min één, respectievelijk.

"In het geval van onze anyons was de fase gegenereerd door vlechten 2π/3, ' zei hij. 'Dat is anders dan wat we eerder in de natuur hebben gezien.'

Iedereen vertoont dit gedrag alleen als collectieve elektronenmassa's, waar veel elektronen zich als één geheel gedragen onder zeer extreme en specifieke omstandigheden, dus men denkt niet dat ze geïsoleerd in de natuur voorkomen, zei Nakamura.

"Normaal gesproken in de wereld van de natuurkunde, we denken aan fundamentele deeltjes, zoals protonen en elektronen, en alle dingen die deel uitmaken van het periodiek systeem, " zei hij. "Maar we bestuderen het bestaan ​​van quasideeltjes, die tevoorschijn komen uit een zee van elektronen die in bepaalde extreme omstandigheden zijn geplaatst."

Omdat dit gedrag afhangt van het aantal keren dat de deeltjes worden gevlochten, of lus, om elkaar heen, ze zijn robuuster in hun eigenschappen dan andere kwantumdeeltjes. Dit kenmerk wordt topologisch genoemd omdat het afhangt van de geometrie van het systeem en uiteindelijk kan leiden tot veel geavanceerdere structuren die kunnen worden gebruikt om stabiele, topologische kwantumcomputers.

Het team was in staat om dit gedrag aan te tonen door de elektronen door een specifieke doolhofachtige geëtste nanostructuur te leiden, gemaakt van galliumarsenide en aluminium galliumarsenide. Dit apparaat, een interferometer genoemd, de elektronen opgesloten om in een tweedimensionaal pad te bewegen. Het apparaat werd afgekoeld tot op een honderdste graad van het absolute nulpunt (10 millikelvin), en onderworpen aan een krachtig magnetisch veld van 9 Tesla. De elektrische weerstand van de interferometer genereerde een interferentiepatroon dat de onderzoekers een 'pyjamaplot' noemden. Sprongen in het interferentiepatroon waren de handtekening van de aanwezigheid van iedereen.

"Het is absoluut een van de meer complexe en gecompliceerde dingen die gedaan moeten worden in de experimentele natuurkunde, "Chtan Nayak, theoretisch fysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara vertelde Science News.

Nakamura zei dat de faciliteiten in Purdue de omgeving hebben gecreëerd om deze ontdekking te laten plaatsvinden.

"We hebben de technologie om de galliumarsenide-halfgeleider te laten groeien die nodig is om ons elektronensysteem te realiseren. We hebben de nanofabricagefaciliteiten in het Birck Nanotechnology Center om de interferometer te maken, het apparaat dat we in onze experimenten gebruikten. Op de afdeling natuurkunde we hebben de mogelijkheid om ultra-lage temperaturen te meten en sterke magnetische velden te creëren." zei hij. "Dus, we hebben alle benodigde componenten waarmee we deze ontdekking hier bij Purdue konden doen. Dat is geweldig aan het doen van onderzoek hier en waarom we deze vooruitgang hebben kunnen boeken."

Manfra zei dat de volgende stap in de quasideeltjesgrens het bouwen van meer gecompliceerde interferometers zal zijn.

"In de nieuwe interferometers zullen we de mogelijkheid hebben om de locatie en het aantal quasideeltjes in de kamer te regelen, " zei hij. "Dan zullen we in staat zijn om het aantal quasideeltjes in de interferometer op aanvraag te veranderen en het interferentiepatroon te veranderen zoals we willen."