Fiziğin Sınırlarını Zorlayan Yeni Kuantum Parçacığı Keşfi
Brown Üniversitesi’ndeki bilim insanları, hem fermiyon hem de bozon özellikleri sergileyen ve kesirli eksitonlar olarak bilinen yeni bir kuantum parçacıkları sınıfı keşfetti.
Bu çığır açan bulgu, maddenin yeni evrelerinin önünü açabilir ve kuantum durumlarını manipüle etmek için benzersiz yollar sağlayarak kuantum hesaplamayı geliştirebilir.
Yeni Kuantum Parçacıkları Keşfedildi
Kuantum dünyasındaki atom altı parçacıklar genellikle fiziksel dünyanın bilinen kurallarına meydan okurlar. Aynı anda iki yerde bulunabilir, katı bariyerlerden geçebilir ve hatta çok uzak mesafeler arasında anında iletişim kurabilirler. Bu davranışlar imkansız gibi görünse de, bilim insanlarının bir zamanlar imkansız olduğu düşünülen olguları keşfetmeye devam ettiği kuantum fiziğinin gizemlerinin merkezinde yer alırlar.
Çığır açan bir çalışmada, Brown Üniversitesi’ndeki fizikçiler fraksiyonel eksitonlar adı verilen yeni bir kuantum parçacıkları sınıfı keşfettiler. Bu parçacıklar, kuantum alemine ilişkin anlayışımızı derinden geliştirebilecek beklenmedik davranışlar sergiliyor.
Brown’da fizik doçenti olan Jia Li, “Bulgularımız, genel yük taşımayan ancak benzersiz kuantum istatistiklerini takip eden tamamen yeni bir kuantum parçacıkları sınıfına işaret ediyor” dedi. “Bu keşfin en heyecan verici yanı, maddenin bir dizi yeni kuantum fazının kilidini açması, gelecekteki araştırmalar için yeni bir sınır sunması, temel fizik anlayışımızı derinleştirmesi ve hatta kuantum hesaplamada yeni olasılıklar açmasıdır.”
Araştırma Li ile birlikte üç yüksek lisans öğrencisi – Naiyuan Zhang, Ron Nguyen ve Navketan Batra – ve Brown’da fizik profesörü olan Dima Feldman tarafından yürütüldü. Zhang, Nguyen ve Batra, bugün (8 Ocak) Nature dergisinde yayınlanan makalenin ilk yazarlarıdır.
Kesirli Kuantum Hall Etkilerini Keşfetmek
Ekibin keşfi, kesirli kuantum Hall etkisi olarak bilinen ve elektrik akımı olan bir malzemeye manyetik alan uygulanarak yanlara doğru bir gerilim yaratılmasını sağlayan klasik Hall etkisine dayanan bir olguya dayanıyor. Son derece düşük sıcaklıklarda ve yüksek manyetik alanlarda meydana gelen kuantum Hall etkisi, bu yana doğru gerilimin net, ayrı sıçramalarla arttığını gösteriyor. Kesirli kuantum Hall etkisinde, bu adımlar daha da tuhaf hale gelir ve yalnızca kesirli miktarlarda artar – bir elektronun yükünün bir kısmını taşır.
Araştırmacılar deneylerinde, altıgen bor nitrürden oluşan yalıtkan bir kristalle ayrılmış iki boyutlu bir nanomalzeme olan grafenden iki ince katman içeren bir yapı inşa ettiler. Bu düzenek, elektrik yüklerinin hareketini dikkatlice kontrol etmelerini sağladı. Ayrıca eksiton olarak bilinen ve bir elektron ile delik olarak bilinen bir elektronun yokluğunun bir araya gelmesiyle oluşan parçacıklar üretmelerine de olanak sağladı. Daha sonra sistemi Dünya’nınkinden milyonlarca kat daha güçlü olan inanılmaz derecede güçlü manyetik alanlara maruz bıraktılar. Bu, ekibin alışılmadık bir dizi davranış gösteren yeni fraksiyonel eksitonları gözlemlemesine yardımcı oldu.
Benzersiz Parçacık Davranışı Ortaya Çıktı
Temel parçacıklar tipik olarak iki kategoriye ayrılır. Bozonlar aynı kuantum durumunu paylaşabilen parçacıklardır, yani birçoğu kısıtlama olmaksızın birlikte var olabilir. Öte yandan fermiyonlar, Pauli dışlama ilkesi olarak bilinen ve iki fermiyonun aynı kuantum durumunu işgal edemeyeceğini söyleyen ilkeye uyar.
Ancak deneyde gözlemlenen kesirli eksitonlar her iki kategoriye de tam olarak uymuyordu. Deneyde beklenen kesirli yüklere sahip olsalar da, davranışları hem bozonların hem de fermiyonların eğilimlerini gösterdi, neredeyse ikisinin bir melezi gibi davrandılar. Bu da onları daha çok fermiyonlar ve bozonlar arasında yer alan bir parçacık türü olan anyonlara benzetti – ancak kesirli eksitonlar onları anyonlardan ayıran benzersiz özelliklere de sahipti.
Zhang, “Bu beklenmedik davranış, fraksiyonel eksitonların benzersiz kuantum özelliklerine sahip tamamen yeni bir parçacık sınıfını temsil edebileceğini gösteriyor” dedi. “Eksitonların kesirli kuantum Hall rejiminde var olabileceğini ve bu eksitonların bazılarının kesirli yüklü parçacıkların eşleşmesinden kaynaklandığını ve bozonlar gibi davranmayan kesirli eksitonlar yarattığını gösteriyoruz.”
Kuantum Hesaplama için Çıkarımlar
Ekip, yeni bir parçacık sınıfının varlığının bir gün bilginin kuantum düzeyinde depolanma ve manipüle edilme şeklini iyileştirmeye yardımcı olabileceğini ve daha hızlı ve daha güvenilir kuantum bilgisayarlara yol açabileceğini belirtti.
Li, “Bu fenomeni keşfetmek ve manipüle etmek için esasen yeni bir boyutun kilidini açtık ve sadece yüzeyi çizmeye başlıyoruz” dedi. “Bu tür parçacıkların deneysel olarak var olduğunu ilk kez gösterdik ve şimdi onlardan neler gelebileceğini daha derinlemesine araştırıyoruz.”
Ekibin sonraki adımları, bu kesirli eksitonların nasıl etkileşime girdiğini ve davranışlarının kontrol edilip edilemeyeceğini incelemeyi içerecek.
Feldman, “Bu, parmağımızı kuantum mekaniğinin tam topuzuna koymuşuz gibi hissettiriyor” dedi. “Bu, kuantum mekaniğinin daha önce bilmediğimiz ya da en azından şimdiye kadar takdir etmediğimiz bir yönü.”
Kaynak: https://scitechdaily.com