Fermioniska kvasipartiklar fångas sakta "försvinna" för första gången - Physics World

Fermioniska kvasipartiklar fångas sakta "försvinna" för första gången - Physics World

Tidsstämpel: 11 september, 2023 5:00

En kvasipartikel som bryts upp av en ultrakort ljuspuls
En kvasipartikel som består av lokaliserade och rörliga elektroner, här uppdelad av en ultrakort ljuspuls. Med tillstånd: Universitetet i Bonn

Forskare har direkt observerat fermioniska kvasipartiklar som sakta "försvinner" för första gången. Denna försvinnande handling ägde rum nära en kvantfasövergång i en så kallad tung fermionförening. Förutom att främja vår förståelse av stabiliteten hos fermioniska kvasipartiklar, kan sådana övergångar ha tillämpningar inom kvantinformationsteknologi.

Den mest kända fasövergången sker när vatten plötsligt omvandlas till is när det svalnar under 0 °C. Isens egenskaper skiljer sig mycket från flytande vatten - isens densitet är mycket lägre, till exempel, och dess struktur förändras dramatiskt. I vissa fasövergångar sker förändringar dock mer gradvis. Till exempel går järn från att vara ferromagnetiskt till paramagnetiskt när det värms upp till 760 °C, men i takt med att övergången fortskrider tar det längre och längre tid för systemet att komma till jämvikt, vilket saktar ner övergången och gör den mer kontinuerlig. Detta innebär att de två faserna (ferromagnetisk och paramagnetisk) blir närmare energimässigt.

Detta fenomen är typiskt för fasövergångar som involverar excitationer av bosoner, som är partiklar som förmedlar interaktioner (inklusive de interaktioner som är ansvariga för magnetism). På en grundläggande nivå består emellertid inte materia av bosoner, utan av fermioner.

"Elektroner tillhör familjen fermioner", konstaterar studieteammedlem Shovon Pal, "och materia som består av dessa partiklar kan vanligtvis inte förstöras på grund av de grundläggande naturlagarna. Fermioner kan därför inte försvinna och det är därför de normalt aldrig är involverade i fasövergångar."

Superposition av två typer av elektrontillstånd

Med hjälp av terahertz tidsdomänspektroskopimätningar, Pal och kollegor i Manfred Fiebigs grupp kl ETH Zürich, Schweiz observerade denna kritiska avmattning nära en kvantfasövergång i YbRh2Si2. Kvasipartiklarna i detta material består av en överlagring av två typer av elektrontillstånd: en sammansatt av lokala elektroner som de som finns i en isolator och en sammansatt av mobila elektroner som i en metall. Ett slående särdrag i denna superposition är att elektronerna till viss del är spatialt bundna, vilket ger dem en effektiv massa 103 till 104 större än vilomassan av en normal elektron. Föreningar som stödjer denna typ av bindning är sålunda kända som tunga fermionföreningar.

I en annan kontrast till "normala" elektroner kan dessa kvasipartiklar, som bara finns i kvantregimen, förstöras under en fasövergång. Detta är nyckelfaktorn som gör att de kan genomgå en kontinuerlig övergång jämförbar med de som involverar bosoner, säger Pal.

Kritisk exponent

I sin studie extraherade forskarna en parameter känd som den kritiska exponenten som relaterar till en kollaps i sannolikheten för att bilda dessa exotiska tillstånd vid fasövergången. "Kritiska exponenter kan användas för att klassificera fasövergångar och detta koncept kan nu utvidgas till att klassificera övergångar inte bara associerade med nedbrytningen av bosoniska ordningsparametrar, som magnetisering i en ferromagnetisk övergång, utan också till exotiska fasövergångar med förstörelse av fermionsyra partiklar”, förklarar Pal, som nu är på NISER i Indien.

Forskarna använde terahertzstrålning eftersom dess energiskalor är i nivå med tunga fermioners inneboende energiskalor. "Vid THz-excitation bryts kvasipartiklarna ner och försvinner, vilket tar systemet till ett icke-jämviktstillstånd", förklarar Pal. "Det strävar naturligtvis efter att återgå till jämvikt via återuppkomsten av kvasipartiklar och denna rekonstruktionsprocess sker efter en viss tidsfördröjning som motsvarar de inneboende energiskalorna för tunga fermionsystem."

Genom att mäta denna fördröjda respons kunde teamet observera och karakterisera evolutionen – det vill säga försvinnandet och återuppkomsten – av kvasipartiklarna.

Studien, som beskrivs i detalj i Naturfysik, belyser ett nytt sätt att undersöka många kroppskorrelationer i vissa exotiska kvantmaterial som tunga fermionföreningar. "Det är därför en utgångspunkt för många ytterligare undersökningar av olika material som avslöjar fysiken för fasövergångar i kvantvärlden," säger Pal. Fysikvärlden.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden