Als het fractionele quantum Hall-regime een reeks snelwegen zou zijn, zouden deze snelwegen twee of vier rijstroken hebben. De stroom van de twee- of vier-flux composiet fermionen, zoals auto's in dit twee- tot vier-flux composiet fermion verkeersscenario, verklaart op natuurlijke wijze de meer dan 90 fractionele kwantum-Hall-toestanden die zich in een grote verscheidenheid aan gastmaterialen vormen. Natuurkundigen van de Purdue University hebben echter onlangs ontdekt dat fractionele kwantum-Hall-regimes niet beperkt zijn tot twee- of vier-fluxen en hebben het bestaan ​​ontdekt van een nieuw type opkomend deeltje, dat zij zes-flux composiet fermion noemen. /P>

Ze hebben onlangs hun baanbrekende bevindingen gepubliceerd in Nature Communications .

Gabor Csathy, professor en hoofd van de afdeling natuurkunde en astronomie aan het Purdue University College of Science, samen met Ph.D. studenten Haoyun Huang, Waseem Hussain en recente Ph.D. afgestudeerd Sean Myers, leidde deze ontdekking vanaf de West Lafayette-campus van Purdue. Csathy crediteert hoofdauteur Huang als degene die de metingen heeft bedacht en geleid, en een groot deel van het manuscript heeft geschreven. Alle metingen bij ultralage temperaturen werden uitgevoerd in het Physics Building-laboratorium van Csathy. Zijn laboratorium doet onderzoek naar sterk gecorreleerde elektronenfysica, ook wel topologische elektronenfysica genoemd.

Zwakke interacties van elektronen zijn goed ingeburgerd en het gedrag is vrij voorspelbaar. Wanneer elektronen zwak op elkaar inwerken, wordt het elektron algemeen beschouwd als de natuurlijke bouwsteen van het hele systeem. Maar wanneer de elektronen sterk op elkaar inwerken, wordt het interpreteren van het systemische gedrag door aan individuele elektronen te denken bijna onmogelijk.

‘Dit komt in zeer weinig gevallen voor, zoals bijvoorbeeld in het fractionele kwantum-Hall-regime dat we bestuderen’, zegt Csathy. "Om fractionele kwantum-Hall-toestanden uit te leggen, is het samengestelde fermion, een zeer intuïtieve fundamentele bouwsteen, verkrijgbaar in verschillende smaken. Ze kunnen een hele subset van de fractionele kwantum-Hall-toestanden vertegenwoordigen. Maar alle volledig ontwikkelde (dat wil zeggen topologisch beschermde) , kunnen fractionele kwantum-Hall-toestanden worden verklaard door slechts twee soorten samengestelde fermionen:de samengestelde fermionen met twee en vier fluxen.

"Hier rapporteerden we een nieuwe fractionele kwantum-Hall-toestand die niet kan worden verklaard door een van deze eerdere ideeën. In plaats daarvan moeten we een beroep doen op het bestaan ​​van een nieuw type opkomend deeltje, de zogenaamde zes-flux composietfermionen. De ontdekking van nieuwe fractionele kwantum-Hall-toestanden zijn schaars genoeg. De ontdekking van een nieuw opkomend deeltje in de fysica van de gecondenseerde materie is echter werkelijk zeldzaam en verbazingwekkend."

Voorlopig zullen deze ideeën worden gebruikt om ons begrip van de ordening van de bekende fractionele kwantum-Hall-toestanden uit te breiden naar een 'periodiek systeem'. Het is vooral opmerkelijk bij dit proces dat het opkomende samengestelde fermiondeeltje uniek is omdat het elektron zes gekwantiseerde magnetische fluxquanta vangt, waardoor het meest ingewikkelde samengestelde fermion wordt gevormd dat tot nu toe bekend is.

"De numerologie van deze ingewikkelde natuurkundepuzzel vereist behoorlijk wat geduld", zegt Haoyun Huang, Ph.D. student. "Neem de nu=2/3 fractionele toestand als voorbeeld. Aangezien 2/3=2/(2*2 -1), behoort de nu=2/3-toestand tot de twee-fluxfamilie. Op dezelfde manier geldt voor de nu=2/7 fractionele toestand 2/7=2/(2*4 -1), dus deze toestand behoort tot de vier-fluxfamilie. De breuktoestanden die we hebben ontdekt, houden daarentegen nauw verband met 2/11=2/(2*6 -1). Vóór ons werk werd er geen volledig gekwantiseerde fractionele kwantum-Hall-toestand waargenomen die geassocieerd kon worden met samengestelde fermionen met zes fluxen. Op theoriegebied was de situatie compleet anders:het bestaan ​​van dit soort samengestelde fermionen werd voorspeld door Jainendra Jain in zijn zeer invloedrijke theorie over samengestelde fermionen, gepubliceerd in 1989. De bijbehorende kwantisering werd gedurende deze 34 jaar niet waargenomen.

Het materiaal dat in dit onderzoek werd gebruikt, werd gekweekt door een team van Princeton University onder leiding van Loren Pfeiffer. De elektrische kwaliteit van de GaAs-halfgeleiders speelde een grote rol in het succes van dit onderzoek. Volgens Csathy is deze Princeton-groep toonaangevend in de wereld op het gebied van de teelt van GaAs-gebaseerde materialen van de hoogste kwaliteit.

"De GaAs die ze kweken is heel bijzonder, omdat het aantal imperfecties verbazingwekkend laag is", zegt hij. "De combinatie van lage wanorde en de expertise op het gebied van ultra-lage temperatuurmetingen in het Csathy-lab maakte dit project mogelijk. Eén reden waarom we deze monsters hebben gemeten, is dat de Princeton-groep zeer recentelijk de kwaliteit van de GaAs-halfgeleider aanzienlijk heeft verbeterd, zoals gemeten door de kleine hoeveelheden defecten die aanwezig zijn. Deze verbeterde monsters zullen zeker een speeltuin blijven vormen voor nieuwe natuurkunde."

Deze opwindende ontdekking maakt deel uit van lopend onderzoek door het team van Csathy. Het team blijft de grenzen van ontdekking verleggen in hun aanhoudende zoektocht naar topologische elektronenfysica.

Meer informatie: Haoyun Huang et al., Bewijs voor topologische bescherming afgeleid van Six-Flux Composite Fermionen, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5

Aangeboden door Purdue University