Lần đầu tiên giả hạt fermionic đang dần 'biến mất' - Thế Giới Vật Lý

Lần đầu tiên giả hạt fermionic đang dần 'biến mất' - Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 11 tháng 2023 năm 5 00:XNUMX AM

Một giả hạt bị phá vỡ bởi một xung ánh sáng cực ngắn
Một giả hạt bao gồm các electron di động và cục bộ, ở đây bị phá vỡ bởi một xung ánh sáng cực ngắn. Được phép: Đại học Bonn

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã trực tiếp quan sát thấy các giả hạt fermion dần “biến mất”. Quá trình biến mất này diễn ra gần sự chuyển pha lượng tử trong cái gọi là hợp chất fermion nặng. Cùng với việc nâng cao hiểu biết của chúng ta về tính ổn định của các giả hạt fermionic, những chuyển đổi như vậy có thể có những ứng dụng trong công nghệ thông tin lượng tử.

Sự chuyển pha nổi tiếng nhất xảy ra khi nước đột ngột biến thành băng khi nó nguội đi dưới 0 °C. Các đặc tính của băng rất khác với đặc tính của nước lỏng – mật độ của băng thấp hơn nhiều và cấu trúc của nó thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, trong một số giai đoạn chuyển tiếp, sự thay đổi xảy ra dần dần. Ví dụ, sắt chuyển từ tính sắt từ sang tính thuận từ khi được nung nóng đến 760 °C, nhưng khi quá trình chuyển đổi diễn ra, hệ ngày càng mất nhiều thời gian hơn để đạt đến trạng thái cân bằng, do đó làm chậm quá trình chuyển đổi và làm cho nó liên tục hơn. Điều này có nghĩa là hai pha (sắt từ và thuận từ) trở nên gần nhau hơn về năng lượng.

Hiện tượng này là điển hình cho các chuyển pha liên quan đến sự kích thích của boson, là các hạt làm trung gian cho các tương tác (bao gồm cả các tương tác chịu trách nhiệm về từ tính). Tuy nhiên, ở cấp độ cơ bản, vật chất không được tạo thành từ boson mà từ fermion.

“Các electron thuộc họ fermion,” thành viên nhóm nghiên cứu lưu ý Shovon Pal, “và vật chất được tạo thành từ những hạt này thường không thể bị phá hủy do các quy luật cơ bản của tự nhiên. Do đó, fermion không thể biến mất và chính vì lý do này mà chúng thường không bao giờ tham gia vào các quá trình chuyển pha.”

Sự chồng chất của hai loại trạng thái electron

Sử dụng phép đo quang phổ miền thời gian terahertz, Pal và các đồng nghiệp ở Manfred Fiebignhóm của tại ETH Zurich, Thụy Sĩ đã quan sát thấy sự chậm lại nghiêm trọng này gần quá trình chuyển pha lượng tử trong YbRh2Si2. Các giả hạt trong vật liệu này bao gồm sự chồng chất của hai loại trạng thái điện tử: một loại bao gồm các electron cục bộ giống như các electron được tìm thấy trong chất cách điện và một loại bao gồm các electron di động như trong kim loại. Một đặc điểm nổi bật của sự chồng chất này là các electron, ở một mức độ nhất định, bị ràng buộc về mặt không gian, khiến chúng có khối lượng hiệu dụng là 10.3 để 104 lớn hơn khối lượng nghỉ của một electron bình thường. Do đó, các hợp chất hỗ trợ loại liên kết này được gọi là hợp chất fermion nặng.

Ngược lại với các electron “bình thường”, các giả hạt này, vốn chỉ tồn tại trong chế độ lượng tử, có thể bị phá hủy trong quá trình chuyển pha. Pal cho biết đây là yếu tố then chốt cho phép chúng trải qua một quá trình chuyển đổi liên tục có thể so sánh được với những quá trình liên quan đến boson.

số mũ quan trọng

Trong nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu đã rút ra một tham số được gọi là số mũ tới hạn liên quan đến sự suy giảm xác suất hình thành các trạng thái kỳ lạ này khi chuyển pha. “Các số mũ tới hạn có thể được sử dụng để phân loại các chuyển pha và khái niệm này giờ đây có thể được mở rộng để phân loại các chuyển tiếp không chỉ liên quan đến sự phá vỡ các tham số trật tự boson, như từ hóa trong quá trình chuyển pha sắt từ, mà còn cho các chuyển pha kỳ lạ với sự phá hủy fermionic. các hạt,” Pal giải thích, người hiện đang ở NISER ở Ấn Độ.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng bức xạ terahertz vì thang năng lượng của nó ngang bằng với thang năng lượng nội tại của các fermion nặng. Pal giải thích: “Khi được kích thích bằng THz, các giả hạt bị phá vỡ và biến mất, đưa hệ thống vào trạng thái không cân bằng”. “Nó cố gắng trở lại trạng thái cân bằng một cách tự nhiên thông qua sự tái xuất hiện của các giả hạt và quá trình tái thiết này xảy ra sau một khoảng thời gian trễ nhất định tương ứng với thang năng lượng nội tại của các hệ fermion nặng.”

Bằng cách đo phản ứng chậm trễ này, đội nghiên cứu đã có thể quan sát và mô tả đặc điểm của quá trình tiến hóa – tức là sự biến mất và tái xuất hiện – của các giả hạt.

Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Vật lý tự nhiên, nêu bật một phương pháp mới để nghiên cứu mối tương quan nhiều vật thể trong một số vật liệu lượng tử kỳ lạ nhất định như các hợp chất fermion nặng. “Do đó, đây là điểm khởi đầu cho nhiều nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu khác nhau tiết lộ tính chất vật lý của sự chuyển pha trong thế giới lượng tử,” Pal nói. Thế giới vật lý.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý