Fermioniske kvasipartikler fanget langsomt 'forsvinder' for første gang - Physics World

Fermioniske kvasipartikler fanget langsomt 'forsvinder' for første gang - Physics World

Tidsstempel: 11. september 2023 kl. 5

En kvasipartikel brudt op af en ultrakort lysimpuls
En kvasipartikel sammensat af lokaliserede og mobile elektroner, her brudt op af en ultrakort lysimpuls. Udlånt: Universitetet i Bonn

Forskere har direkte observeret fermioniske kvasipartikler, der langsomt "forsvinder" for første gang. Denne forsvindingshandling fandt sted nær en kvantefaseovergang i en såkaldt tung fermionforbindelse. Ud over at fremme vores forståelse af stabiliteten af ​​fermioniske kvasipartikler, kan sådanne overgange have anvendelser inden for kvanteinformationsteknologi.

Den mest kendte faseovergang sker, når vand pludseligt omdannes til is, når det afkøles til under 0 °C. Isens egenskaber er meget forskellige fra flydende vand - tætheden af ​​is er meget lavere, for det første, og dens struktur ændrer sig dramatisk. I nogle faseovergange sker forandringer dog mere gradvist. For eksempel går jern fra at være ferromagnetisk til paramagnetisk, når det opvarmes til 760 °C, men efterhånden som overgangen skrider frem, tager systemet længere og længere tid om at komme i ligevægt, hvorved overgangen bremses og gøres mere kontinuerlig. Det betyder, at de to faser (ferromagnetisk og paramagnetisk) bliver tættere i energi.

Dette fænomen er typisk for faseovergange, der involverer excitationer af bosoner, som er partikler, der medierer interaktioner (inklusive interaktioner, der er ansvarlige for magnetisme). På et grundlæggende niveau består stof imidlertid ikke af bosoner, men af ​​fermioner.

"Elektroner tilhører familien af ​​fermioner," bemærker et studieteammedlem Shovon Pal, "og stof, der består af disse partikler, kan normalt ikke ødelægges på grund af de grundlæggende naturlove. Fermioner kan derfor ikke forsvinde, og det er derfor, de normalt aldrig er involveret i faseovergange."

Superposition af to typer elektrontilstande

Ved hjælp af terahertz tidsdomænespektroskopimålinger, Pal og kolleger i Manfred Fiebigsin gruppe kl ETH Zürich, Schweiz observerede denne kritiske opbremsning nær en kvantefaseovergang i YbRh2Si2. Kvasipartiklerne i dette materiale består af en superposition af to typer elektrontilstande: en sammensat af lokaliserede elektroner som dem, der findes i en isolator og en sammensat af mobile elektroner som i et metal. Et slående træk ved denne superposition er, at elektronerne til en vis grad er rumligt bundne, hvilket giver dem en effektiv masse på 103 til 104 større end hvilemassen af ​​en normal elektron. Forbindelser, der understøtter denne type binding, er således kendt som tunge fermionforbindelser.

I en anden kontrast til "normale" elektroner kan disse kvasipartikler, som kun eksisterer i kvanteregimet, ødelægges under en faseovergang. Dette er nøglefaktoren, der giver dem mulighed for at gennemgå en kontinuerlig overgang, der kan sammenlignes med dem, der involverer bosoner, siger Pal.

Kritisk eksponent

I deres undersøgelse udtog forskerne en parameter kendt som den kritiske eksponent, der relaterer sig til et kollaps i sandsynligheden for at danne disse eksotiske tilstande ved faseovergangen. "Kritiske eksponenter kan bruges til at klassificere faseovergange, og dette koncept kan nu udvides til at klassificere overgange, ikke kun forbundet med nedbrydningen af ​​bosoniske ordensparametre, som magnetiseringen i en ferromagnetisk overgang, men også til eksotiske faseovergange med ødelæggelsen af ​​fermionisk partikler,” forklarer Pal, som nu er kl NISER i Indien.

Forskerne brugte terahertz-stråling, fordi dens energiskalaer er på niveau med tunge fermioners iboende energiskalaer. "Ved THz-excitation nedbrydes kvasipartiklerne og forsvinder, hvilket bringer systemet ind i en ikke-ligevægtstilstand," forklarer Pal. "Det stræber naturligvis efter at vende tilbage til ligevægt via genfremkomsten af ​​kvasipartikler, og denne rekonstruktionsproces sker efter en vis tidsforsinkelse, der svarer til de iboende energiskalaer for tunge fermionsystemer."

Ved at måle denne forsinkede respons var holdet i stand til at observere og karakterisere udviklingen – det vil sige forsvinden og gensynet – af kvasipartiklerne.

Undersøgelsen, som er detaljeret i Naturfysik, fremhæver en ny måde at undersøge mange-krops-korrelationer i visse eksotiske kvantematerialer som tunge fermionforbindelser. "Det er således et udgangspunkt for mange yderligere undersøgelser af forskellige materialer, der afslører fysikken i faseovergange i kvanteverdenen," fortæller Pal. Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden