Cvasiparticule fermionice surprinse „disparând” încet pentru prima dată – Physics World

Cvasiparticule fermionice surprinse „disparând” încet pentru prima dată – Physics World

Marca temporală: 11 septembrie 2023, ora 5:00

O cvasiparticulă spartă de un impuls de lumină ultrascurt
O cvasiparticulă compusă din electroni localizați și mobili, aici distruși de un impuls de lumină ultrascurt. Cu amabilitatea: Universitatea din Bonn

Cercetătorii au observat în mod direct cvasiparticulele fermionice „dispărând” încet pentru prima dată. Acest act de dispariție a avut loc în apropierea unei tranziții de fază cuantică într-un așa-numit compus fermion greu. Pe lângă dezvoltarea înțelegerii noastre a stabilității cvasiparticulelor fermionice, astfel de tranziții ar putea avea aplicații în tehnologia informației cuantice.

Cea mai cunoscută tranziție de fază are loc atunci când apa se transformă brusc în gheață pe măsură ce se răcește sub 0 °C. Caracteristicile gheții sunt foarte diferite de cele ale apei lichide – densitatea gheții este mult mai mică, de exemplu, iar structura ei se schimbă dramatic. În unele tranziții de fază, totuși, schimbarea are loc mai treptat. De exemplu, fierul trece de la feromagnetic la paramagnetic atunci când este încălzit la 760 °C, dar pe măsură ce tranziția progresează, sistemul durează din ce în ce mai mult pentru a ajunge la echilibru, încetinind astfel tranziția și făcând-o mai continuă. Aceasta înseamnă că cele două faze (feromagnetice și paramagnetice) devin mai apropiate ca energie.

Acest fenomen este tipic pentru tranzițiile de fază care implică excitații ale bosonilor, care sunt particule care mediază interacțiuni (inclusiv interacțiunile responsabile de magnetism). La nivel fundamental, însă, materia nu este formată din bozoni, ci din fermioni.

„Electronii aparțin familiei fermionilor”, notează membrul echipei de studiu Shovon Pal, „și materia formată din aceste particule nu poate fi de obicei distrusă din cauza legilor fundamentale ale naturii. Prin urmare, fermionii nu pot dispărea și, din acest motiv, în mod normal nu sunt implicați niciodată în tranzițiile de fază.”

Suprapunerea a două tipuri de stări de electroni

Folosind măsurători de spectroscopie în domeniul timpului de teraherți, Pal și colegii în Manfred Fiebiggrupul lui la ETH Zurich, Elveția a observat această încetinire critică în apropierea unei tranziții de fază cuantică în YbRh2Si2. Cvasiparticulele din acest material constau dintr-o suprapunere a două tipuri de stări de electroni: una compusă din electroni localizați ca cei găsiți într-un izolator și una compusă din electroni mobili ca într-un metal. O caracteristică izbitoare a acestei suprapuneri este că electronii sunt, într-o anumită măsură, legați spațial, ceea ce le conferă o masă efectivă 10.3 la 104 mai mare decât masa în repaus a unui electron normal. Compușii care susțin acest tip de legare sunt astfel cunoscuți ca compuși cu fermion grele.

În alt contrast cu electronii „normali”, aceste cvasiparticule, care există doar în regim cuantic, pot fi distruse în timpul unei tranziții de fază. Acesta este factorul cheie care le permite să treacă printr-o tranziție continuă comparabilă cu cele care implică bosoni, spune Pal.

Exponent critic

În studiul lor, cercetătorii au extras un parametru cunoscut sub numele de exponentul critic care se referă la un colaps al probabilității de a forma aceste stări exotice la tranziția de fază. „Expoenții critici pot fi folosiți pentru a clasifica tranzițiile de fază și acest concept poate fi extins acum pentru a clasifica tranzițiile asociate nu numai cu defalcarea parametrilor de ordin bosonic, cum ar fi magnetizarea într-o tranziție feromagnetică, ci și la tranzițiile de fază exotice cu distrugerea fermionică. particule”, explică Pal, care este acum la NISER in India.

Cercetătorii au folosit radiația de teraherți deoarece scalele sale de energie sunt la egalitate cu scalele de energie intrinsecă ale fermionilor grei. „La excitarea THz, cvasiparticulele se descompun și dispar, ducând sistemul într-o stare de neechilibru”, explică Pal. „În mod natural, se străduiește să revină la echilibru prin reapariția cvasiparticulelor, iar acest proces de reconstrucție are loc după o anumită întârziere, care corespunde scalelor de energie intrinsecă a sistemelor cu fermion grele.”

Măsurând acest răspuns întârziat, echipa a putut observa și caracteriza evoluția – adică dispariția și reapariția – a cvasiparticulelor.

Studiul, care este detaliat în Fizica naturii, evidențiază o nouă modalitate de a investiga corelațiile cu mai multe corpuri în anumite materiale cuantice exotice, cum ar fi compușii cu fermioni grei. „Este astfel un punct de plecare pentru multe investigații ulterioare asupra diferitelor materiale care dezvăluie fizica tranzițiilor de fază în lumea cuantică”, spune Pal. Lumea fizicii.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii