Op het gebied van de kwantumfysica vertonen fundamentele deeltjes vaak onverwacht en contra-intuïtief gedrag wanneer ze aan specifieke omstandigheden worden onderworpen. Een team van onderzoekers van het Center for Computational Quantum Physics (CCQ) van het Flatiron Institute in New York City heeft verrassend gedrag ontdekt in bepaalde deeltjes dat lijkt op dat van elektronen in een supergeleider. Deze bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift "Nature Physics", bieden nieuwe inzichten in de kwantumaard van materie.

Supergeleiding, een fenomeen dat wordt waargenomen bij zeer lage temperaturen, houdt het verlies van elektrische weerstand in bepaalde materialen in, waardoor elektriciteit vrij kan stromen. In conventionele supergeleiders ontstaat dit gedrag door de collectieve beweging van elektronen die paren vormen die bekend staan ​​als Cooper-paren. Het onderzoek van het CCQ-team onthult echter soortgelijk gedrag in een systeem van fundamentele deeltjes dat niet-Abelse anyons wordt genoemd.

Niet-Abelse anyons zijn deeltjes die exotische statistieken gehoorzamen, anders dan de bekende statistieken van bosonen en fermionen. Deze deeltjes komen niet in de natuur voor, maar zijn voorgesteld als potentiële quasideeltjes in bepaalde materialen en als fundamentele bouwstenen in bepaalde theoretische modellen.

Met behulp van krachtige computersimulaties onderzochten de onderzoekers het gedrag van niet-Abelse anyons in een tweedimensionale roosterstructuur. Ze ontdekten dat deze deeltjes onder specifieke omstandigheden een toestand kunnen vertonen die lijkt op supergeleiding. In deze 'anyon-supergeleider' condenseren de deeltjes tot een collectieve toestand waarin ze feitelijk hun individuele identiteit verliezen en in harmonie bewegen, net zoals elektronen in een conventionele supergeleider.

Dit opmerkelijke gedrag komt voort uit de inherente topologische eigenschappen van niet-Abelse anyons. In tegenstelling tot conventionele deeltjes dragen alle deeltjes een topologische lading die niet kan worden verwijderd zonder hun identiteit te veranderen. Deze topologische lading leidt tot interacties over lange afstanden tussen de deeltjes, resulterend in het collectieve gedrag dat in de simulatie wordt waargenomen.

De ontdekking van 'anyon-supergeleiding' opent nieuwe wegen voor het onderzoeken van de wisselwerking tussen topologische eigenschappen en kwantumfysica met veel deeltjes. De studie draagt ​​ook bij aan het bredere begrip van onconventionele toestanden van materie en kan inzicht verschaffen in het gedrag van bepaalde exotische materialen.

Hoewel niet-Abelse 'anyons' nog niet rechtstreeks in experimenten zijn waargenomen, motiveren de theoretische bevindingen van het CCQ-team verdere verkenning van topologische kwantumfenomenen en versterken ze de argumenten voor het zoeken naar materialen die dergelijke deeltjes kunnen herbergen.