In een verrassende ontdekking, Natuurkundigen van Princeton hebben een onverwacht kwantumgedrag waargenomen in een isolator gemaakt van een materiaal dat wolfraamditelluride wordt genoemd. Dit fenomeen, bekend als kwantumoscillatie, wordt meestal waargenomen in metalen in plaats van isolatoren, en de ontdekking ervan biedt nieuwe inzichten in ons begrip van de kwantumwereld. De bevindingen wijzen ook op het bestaan ​​van een geheel nieuw type kwantumdeeltje.

De ontdekking daagt een lang gekoesterd onderscheid tussen metalen en isolatoren uit, omdat in de gevestigde kwantumtheorie van materialen, van isolatoren werd niet gedacht dat ze kwantumoscillaties konden ervaren.

"Als onze interpretaties correct zijn, we zien een fundamenteel nieuwe vorm van kwantummaterie, " zei Sanfeng Wu, assistent-professor natuurkunde aan de Princeton University en de senior auteur van een recent artikel in Natuur detaillering van deze nieuwe ontdekking. "We stellen ons nu een geheel nieuwe kwantumwereld voor, verborgen in isolatoren. Het is mogelijk dat we ze de afgelopen decennia gewoon hebben gemist."

De waarneming van kwantumoscillaties wordt al lang beschouwd als een kenmerk van het verschil tussen metalen en isolatoren. Bij metalen, elektronen zijn zeer mobiel, en weerstand - de weerstand tegen elektrische geleiding - is zwak. Bijna een eeuw geleden, onderzoekers ontdekten dat een magnetisch veld, in combinatie met zeer lage temperaturen, kan ervoor zorgen dat elektronen van een "klassieke" toestand naar een kwantumtoestand verschuiven, veroorzaakt oscillaties in de soortelijke weerstand van het metaal. Bij isolatoren, daarentegen, elektronen kunnen niet bewegen en de materialen hebben een zeer hoge soortelijke weerstand, dus kwantumoscillaties van dit soort worden niet verwacht, ongeacht de sterkte van het toegepaste magnetische veld.

De ontdekking werd gedaan toen de onderzoekers een materiaal bestudeerden dat wolfraamditelluride wordt genoemd, waarvan ze een tweedimensionaal materiaal maakten. Ze maakten het materiaal klaar door standaard plakband te gebruiken om steeds meer te exfoliëren, of "scheren, " de lagen tot wat een monolaag wordt genoemd - een enkele atoomdunne laag. Dikke wolfraamditelluride gedraagt ​​​​zich als een metaal. Maar als het eenmaal is omgezet in een monolaag, het wordt een zeer sterke isolator.

"Dit materiaal heeft veel speciale kwantumeigenschappen, ' zei Wu.

De onderzoekers begonnen vervolgens met het meten van de soortelijke weerstand van het monolaag wolfraam ditelluride onder magnetische velden. Tot hun verbazing, de soortelijke weerstand van de isolator, ondanks dat hij vrij groot is, begon te oscilleren naarmate het magnetische veld toenam, wat de verschuiving naar een kwantumtoestand aangeeft. In werkelijkheid, het materiaal - een zeer sterke isolator - vertoonde de meest opmerkelijke kwantumeigenschap van een metaal.

"Dit kwam als een complete verrassing, " zei Wu. "We vroegen ons af, 'Wat is hier aan de hand?' We begrijpen het nog niet helemaal."

Wu merkte op dat er geen huidige theorieën zijn om dit fenomeen te verklaren.

Niettemin, Wu en zijn collega's hebben een provocerende hypothese naar voren gebracht:een vorm van kwantummaterie die neutraal geladen is. "Vanwege de zeer sterke interacties, de elektronen organiseren zichzelf om dit nieuwe soort kwantummaterie te produceren, ' zei Wu.

Maar uiteindelijk zijn het niet langer de elektronen die oscilleren, zei Wu. In plaats daarvan, de onderzoekers geloven dat nieuwe deeltjes, die ze "neutrale fermionen, " worden geboren uit deze sterk op elkaar inwerkende elektronen en zijn verantwoordelijk voor het creëren van dit zeer opmerkelijke kwantumeffect.

Fermionen zijn een categorie kwantumdeeltjes die elektronen bevatten. In kwantummaterialen, geladen fermionen kunnen negatief geladen elektronen zijn of positief geladen "gaten" die verantwoordelijk zijn voor de elektrische geleiding. Namelijk, als het materiaal een elektrische isolator is, deze geladen fermionen kunnen niet vrij bewegen. Echter, deeltjes die neutraal zijn, dat wil zeggen, noch negatief noch positief geladen - zijn theoretisch mogelijk aanwezig en mobiel in een isolator.

"Onze experimentele resultaten zijn in strijd met alle bestaande theorieën gebaseerd op geladen fermionen, " zei Pengjie Wang, co-eerste auteur op het papier en postdoctoraal onderzoeksmedewerker, "maar zou kunnen worden verklaard in de aanwezigheid van ladingsneutrale fermionen."

Het Princeton-team plant verder onderzoek naar de kwantumeigenschappen van wolfraamditelluride. Ze zijn vooral geïnteresseerd in het ontdekken of hun hypothese - over het bestaan ​​van een nieuw kwantumdeeltje - klopt.

"Dit is slechts het startpunt, ' zei Wu. 'Als we gelijk hebben, toekomstige onderzoekers zullen andere isolatoren vinden met deze verrassende kwantumeigenschap."

Ondanks de nieuwheid van het onderzoek en de voorlopige interpretatie van de resultaten, Wu speculeerde over hoe dit fenomeen in de praktijk zou kunnen worden toegepast.

"Het is mogelijk dat neutrale fermionen in de toekomst kunnen worden gebruikt voor het coderen van informatie die nuttig zou zijn in kwantumcomputing, "zei hij. "In de tussentijd, Hoewel, we zijn nog in de zeer vroege stadia van het begrijpen van kwantumverschijnselen zoals deze, dus fundamentele ontdekkingen moeten worden gedaan."