Fermioniske kvasipartikler fanget sakte "forsvinner" for første gang - Physics World

Fermioniske kvasipartikler fanget sakte "forsvinner" for første gang - Physics World

Tidsstempel: 11. september 2023 5

En kvasipartikkel brutt opp av en ultrakort lyspuls
En kvasipartikkel sammensatt av lokaliserte og mobile elektroner, her brutt opp av en ultrakort lyspuls. Med tillatelse: Universitetet i Bonn

Forskere har direkte observert fermioniske kvasipartikler sakte "forsvinne" for første gang. Denne forsvinningshandlingen fant sted nær en kvantefaseovergang i en såkalt tungfermionforbindelse. I tillegg til å fremme vår forståelse av stabiliteten til fermioniske kvasipartikler, kan slike overganger ha anvendelser innen kvanteinformasjonsteknologi.

Den mest kjente faseovergangen skjer når vann brått forvandles til is når det avkjøles under 0 °C. Egenskapene til is er veldig forskjellige fra flytende vann - tettheten til isen er mye lavere, for det første, og strukturen endres dramatisk. I noen faseoverganger skjer imidlertid endring mer gradvis. For eksempel går jern fra å være ferromagnetisk til paramagnetisk når det varmes opp til 760 °C, men etter hvert som overgangen skrider frem, bruker systemet lengre og lengre tid på å komme i likevekt, og dermed bremser overgangen og gjør den mer kontinuerlig. Dette betyr at de to fasene (ferromagnetisk og paramagnetisk) blir nærmere energimessig.

Dette fenomenet er typisk for faseoverganger som involverer eksitasjoner av bosoner, som er partikler som medierer interaksjoner (inkludert interaksjonene som er ansvarlige for magnetisme). På et grunnleggende nivå består imidlertid ikke materie av bosoner, men av fermioner.

"Elektroner tilhører familien av fermioner," bemerker studieteammedlem Shovon Pal, "og materie som består av disse partiklene kan vanligvis ikke ødelegges på grunn av de grunnleggende naturlovene. Fermioner kan derfor ikke forsvinne, og det er derfor de normalt aldri er involvert i faseoverganger.»

Superposisjon av to typer elektrontilstander

Ved å bruke terahertz-tidsdomenespektroskopimålinger, Pal og kolleger i Manfred Fiebigsin gruppe kl ETH Zürich, Sveits observerte denne kritiske bremsen nær en kvantefaseovergang i YbRh2Si2. Kvasipartiklene i dette materialet består av en superposisjon av to typer elektrontilstander: en sammensatt av lokaliserte elektroner som de som finnes i en isolator og en sammensatt av mobile elektroner som i et metall. Et slående trekk ved denne superposisjonen er at elektronene til en viss grad er romlig bundet, noe som gir dem en effektiv masse 103 til 104 større enn hvilemassen til et normalt elektron. Forbindelser som støtter denne typen binding er derfor kjent som tungfermionforbindelser.

I en annen kontrast til "normale" elektroner, kan disse kvasipartikler, som bare eksisterer i kvanteregimet, bli ødelagt under en faseovergang. Dette er nøkkelfaktoren som gjør at de kan gjennomgå en kontinuerlig overgang som kan sammenlignes med de som involverer bosoner, sier Pal.

Kritisk eksponent

I sin studie hentet forskerne ut en parameter kjent som den kritiske eksponenten som er relatert til en kollaps i sannsynligheten for å danne disse eksotiske tilstandene ved faseovergangen. "Kritiske eksponenter kan brukes til å klassifisere faseoverganger, og dette konseptet kan nå utvides til å klassifisere overganger ikke bare assosiert med nedbryting av bosoniske ordensparametere, som magnetisering i en ferromagnetisk overgang, men også til eksotiske faseoverganger med ødeleggelse av fermionisk partikler, forklarer Pal, som nå er på NISER i India.

Forskerne brukte terahertz-stråling fordi dens energiskalaer er på nivå med de iboende energiskalaene til tunge fermioner. "Ved THz-eksitasjon brytes kvasipartikler ned og forsvinner, og tar systemet inn i en ikke-likevektstilstand," forklarer Pal. "Den streber naturlig etter å gå tilbake til likevekt via gjenoppkomsten av kvasipartikler, og denne gjenoppbyggingsprosessen skjer etter en viss tidsforsinkelse som tilsvarer de iboende energiskalaene til tunge fermionsystemer."

Ved å måle denne forsinkede responsen, var teamet i stand til å observere og karakterisere utviklingen – det vil si forsvinningen og gjenopptredenen – av kvasipartikler.

Studien, som er detaljert i Naturfysikk, fremhever en ny måte å undersøke mange-kroppskorrelasjoner i visse eksotiske kvantematerialer som tunge fermionforbindelser. "Det er derfor et utgangspunkt for mange videre undersøkelser av forskjellige materialer som avslører fysikken til faseoverganger i kvanteverdenen," forteller Pal Fysikkens verden.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden