Kvanttimaailma on oudompi kuin luulimme

Purduen tutkijat pystyivät osoittamaan anyonien käyttäytymisen reitittämällä elektronit tietyn sokkelon kaltaisen syövytetyn nanorakenteen läpi interferometriksi kutsuttuun nanoskaalan laitteeseen.

Purdue-yliopiston tutkijaryhmä on raportoinut uusista kokeellisista todisteista elektronien kollektiivisesta käyttäytymisestä muodostamaan "kvasipartikkeleita", joita kutsutaan "anyoneiksi".

Anyoneilla on ominaisuuksia, joita ei ole havaittu muilla subatomisilla hiukkasilla, kuten osittaisvaraus ja osittaisstatistiikka, jotka ylläpitävät "muistia" vuorovaikutuksestaan muiden kvasihiukkasten kanssa indusoimalla kvanttimekaanisia vaihemuutoksia.

Tutkijatohtori James Nakamura teki löydön tutkimusryhmän jäsenten Shuang Liangin ja Geoffrey Gardnerin avustuksella työskennellessään professori Michael Manfran laboratoriossa.

Vaikka tämä työ saattaa lopulta osoittautua merkitykselliseksi kvanttitietokoneen kehityksessä, Manfra sanoo, että toistaiseksi sitä on pidettävä tärkeänä askeleena kvasihiukkasten fysiikan ymmärtämisessä.

Ennen enempiä todisteita vuoteen 2020 mennessä fyysikot olivat luokitelleet tunnetun maailman hiukkaset kahteen ryhmään: fermionit ja bosonit. Elektronit ovat esimerkki fermioneista ja fotonit, jotka muodostavat valo- ja radioaaltoja, ovat bosoneja. Yksi tyypillinen ero fermionien ja bosonien välillä on se, miten hiukkaset toimivat, kun ne ovat silmukoituna tai punottuina toistensa ympäri. Fermionit reagoivat yhdellä suoraviivaisella tavalla ja bosonit toisella odotetulla ja suoraviivaisella tavalla.

Anyonit reagoivat ikään kuin niillä olisi osittainen varaus ja mikä vielä mielenkiintoisempaa, se luo ei-triviaalisen vaihemuutoksen punouduttuaan toistensa ympärille. Tämä voi antaa anyoneille tietyn tyyppisen "muistin" vuorovaikutuksistaan.

"Anyonit esiintyvät elektronien kollektiivisina herätteinä vain erityisolosuhteissa", Manfra sanoo. "Kun bosoneja tai fermioneja vaihdetaan, ne tuottavat vaihekertoimen, joka on joko plus yksi tai miinus yksi. Meidän tapauksessa anyonien kohdalla punomalla syntyvä vaihe oli 2π/3. Se on erilaista kuin mitä on nähty luonnossa milloinkaan."

Koska käyttäytyminen riippuu siitä, kuinka monta kertaa hiukkaset punotaan tai ketjutetaan toistensa ympärille, ne ovat ominaisuuksiltaan vankempia kuin muut kvanttihiukkaset. Tämän ominaisuuden sanotaan olevan topologinen, koska se riippuu järjestelmän geometriasta ja voi lopulta johtaa paljon kehittyneempiin anyonirakenteisiin, joita voitaisiin käyttää vakaiden, topologisten kvanttitietokoneiden rakentamiseen.

Tutkijaryhmä pystyi osoittamaan tämän käyttäytymisen reitittämällä elektronit galliumarsenidista ja alumiinigalliumarsenidista valmistetun interferometrin läpi. Se rajoitti elektronit liikkumaan kaksiulotteisella polulla. Laite jäähdytettiin 10 millikelviniin ja altistettiin voimakkaalle yhdeksän Teslan magneettikentälle. Interferometrin sähköinen vastus tuotti interferenssikuvion, jossa hyppy oli merkki anyonin läsnäolosta.

"Se on ehdottomasti yksi kokeellisessa fysiikassa tehtävistä kompleksisimmista ja monimutkaisemmista asioista", Chetan Nayak , teoreettinen fyysikko Kalifornian Santa Barbaran yliopistosta kertoi Science News -lehdelle.

Aiheesta aiemmin: Uusi kvasihiukkanen löydetty: Pi-ton