Φερμιονικά οιονεί σωματίδια «εξαφανίζονται» αργά για πρώτη φορά – Physics World

Οι ερευνητές παρατήρησαν άμεσα φερμιονικά οιονεί σωματίδια να «εξαφανίζονται» αργά για πρώτη φορά. Αυτή η πράξη εξαφάνισης έλαβε χώρα κοντά σε μια μετάβαση κβαντικής φάσης σε μια λεγόμενη ένωση βαρέως φερμιονίου. Εκτός από την προώθηση της κατανόησής μας για τη σταθερότητα των φερμιονικών οιονεί σωματιδίων, τέτοιες μεταβάσεις θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία πληροφοριών.

Η πιο γνωστή μετάβαση φάσης συμβαίνει όταν το νερό μετατρέπεται απότομα σε πάγο καθώς κρυώνει κάτω από τους 0 °C. Τα χαρακτηριστικά του πάγου είναι πολύ διαφορετικά από εκείνα του υγρού νερού – η πυκνότητα του πάγου είναι πολύ χαμηλότερη, για κάποιον, και η δομή του αλλάζει δραματικά. Σε ορισμένες μεταβάσεις φάσης, ωστόσο, η αλλαγή συμβαίνει πιο σταδιακά. Για παράδειγμα, ο σίδηρος μετατρέπεται από σιδηρομαγνητικός σε παραμαγνητικός όταν θερμαίνεται στους 760 °C, αλλά καθώς προχωρά η μετάβαση, το σύστημα χρειάζεται περισσότερο χρόνο και περισσότερο για να έρθει σε ισορροπία, επιβραδύνοντας έτσι τη μετάβαση και καθιστώντας την πιο συνεχή. Αυτό σημαίνει ότι οι δύο φάσεις (σιδηρομαγνητική και παραμαγνητική) πλησιάζουν ενεργειακά.

Αυτό το φαινόμενο είναι χαρακτηριστικό για μεταπτώσεις φάσης που περιλαμβάνουν διεγέρσεις μποζονίων, τα οποία είναι σωματίδια που μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις (συμπεριλαμβανομένων των αλληλεπιδράσεων που είναι υπεύθυνες για τον μαγνητισμό). Σε θεμελιώδες επίπεδο, ωστόσο, η ύλη δεν αποτελείται από μποζόνια, αλλά από φερμιόνια.

«Τα ηλεκτρόνια ανήκουν στην οικογένεια των φερμιονίων», σημειώνει το μέλος της ομάδας μελέτης Σοβόν Παλ, «και η ύλη που αποτελείται από αυτά τα σωματίδια δεν μπορεί συνήθως να καταστραφεί λόγω των θεμελιωδών νόμων της φύσης. Επομένως, τα φερμιόνια δεν μπορούν να εξαφανιστούν και γι' αυτόν τον λόγο δεν εμπλέκονται κανονικά ποτέ σε μεταβάσεις φάσης.»

Υπέρθεση δύο τύπων ηλεκτρονιακών καταστάσεων

Χρησιμοποιώντας μετρήσεις φασματοσκοπίας πεδίου χρόνου terahertz, ο Pal και οι συνεργάτες του Μάνφρεντ Φίμπιγκομάδα του στο ETH Ζυρίχη, Ελβετία παρατήρησε αυτή την κρίσιμη επιβράδυνση κοντά σε μια μετάβαση κβαντικής φάσης στο YbRh₂Si₂. Τα οιονεί σωματίδια σε αυτό το υλικό αποτελούνται από μια υπέρθεση δύο τύπων καταστάσεων ηλεκτρονίων: ένα που αποτελείται από εντοπισμένα ηλεκτρόνια όπως αυτά που βρίσκονται σε έναν μονωτή και ένα που αποτελείται από κινητά ηλεκτρόνια όπως σε ένα μέταλλο. Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό αυτής της υπέρθεσης είναι ότι τα ηλεκτρόνια είναι, σε κάποιο βαθμό, χωρικά δεσμευμένα, γεγονός που τους δίνει μια αποτελεσματική μάζα 10³ να 10⁴ μεγαλύτερη από την υπόλοιπη μάζα ενός κανονικού ηλεκτρονίου. Οι ενώσεις που υποστηρίζουν αυτόν τον τύπο δέσμευσης είναι επομένως γνωστές ως ενώσεις βαρέων φερμιόντων.

Σε μια άλλη αντίθεση με τα «κανονικά» ηλεκτρόνια, αυτά τα οιονεί σωματίδια, που υπάρχουν μόνο στο κβαντικό καθεστώς, μπορούν να καταστραφούν κατά τη διάρκεια μιας μετάβασης φάσης. Αυτός είναι ο βασικός παράγοντας που τους επιτρέπει να υποστούν μια συνεχή μετάβαση συγκρίσιμη με αυτές που αφορούν τα μποζόνια, λέει ο Pal.

Κρίσιμος εκθέτης

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές εξήγαγαν μια παράμετρο γνωστή ως κρίσιμος εκθέτης που σχετίζεται με μια κατάρρευση της πιθανότητας σχηματισμού αυτών των εξωτικών καταστάσεων κατά τη μετάβαση φάσης. «Οι κρίσιμοι εκθέτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ταξινόμηση των μεταπτώσεων φάσης και αυτή η έννοια μπορεί τώρα να επεκταθεί για να ταξινομήσει μεταβάσεις όχι μόνο που σχετίζονται με την κατανομή των παραμέτρων τάξης μποζονίων, όπως η μαγνήτιση σε μια σιδηρομαγνητική μετάβαση, αλλά και σε εξωτικές μεταβάσεις φάσης με την καταστροφή των φερμιονικών σωματίδια», εξηγεί ο Παλ, ο οποίος βρίσκεται τώρα στο ΚΑΛΥΤΕΡΟ στην Ινδία.

Τα μποζόνια Majorana θα μπορούσαν να υπάρχουν σε συστήματα διάχυσης, υποδηλώνουν οι υπολογισμοί

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ακτινοβολία terahertz επειδή οι ενεργειακές της κλίμακες είναι στο ίδιο επίπεδο με τις κλίμακες εγγενούς ενέργειας των βαρέων φερμιονίων. «Κατά τη διέγερση THz, τα οιονεί σωματίδια διασπώνται και εξαφανίζονται, οδηγώντας το σύστημα σε κατάσταση μη ισορροπίας», εξηγεί ο Pal. «Φυσικά προσπαθεί να επιστρέψει στην ισορροπία μέσω της επανεμφάνισης οιονεί σωματιδίων και αυτή η διαδικασία ανασυγκρότησης λαμβάνει χώρα μετά από μια ορισμένη χρονική καθυστέρηση που αντιστοιχεί στις εγγενείς κλίμακες ενέργειας των συστημάτων βαρέως φερμιονίου».

Μετρώντας αυτή την καθυστερημένη απόκριση, η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει και να χαρακτηρίσει την εξέλιξη –δηλαδή την εξαφάνιση και την επανεμφάνιση– των οιονεί σωματιδίων.

Η μελέτη, η οποία αναλύεται στο Φυσική της Φύσης, υπογραμμίζει έναν νέο τρόπο για τη διερεύνηση των συσχετίσεων πολλών σωμάτων σε ορισμένα εξωτικά κβαντικά υλικά όπως οι ενώσεις βαρέων φερμιονίων. «Είναι επομένως ένα σημείο εκκίνησης για πολλές περαιτέρω έρευνες σε διαφορετικά υλικά που αποκαλύπτουν τη φυσική των μεταπτώσεων φάσης στον κβαντικό κόσμο», λέει ο Pal. Κόσμος Φυσικής.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• ChartPrime. Ανεβάστε το Trading Game σας με το ChartPrime. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/fermionic-quasiparticles-caught-slowly-disappearing-for-the-first-time/