Starke Wechselwirkungen zwischen Teilchen in physikalischen Systemen können zu verschiedenen hochkorrelierten Grundzuständen führen. Diese Zustände und die starken Korrelationen, die ihnen zugrunde liegen, wurden in den letzten Jahren ausführlich untersucht.
Forscher der Purdue University, des Monmouth College und der Princeton University haben kürzlich einen stark korrelierten Zustand in zusammengesetzten Fermionen beobachtet, Teilchen, die aus der Bindung von Elektronen und Wirbeln hervorgehen. Der beobachtete Zustand, skizziert in Naturphysikist als „Blasenphase“ bekannt, da sie durch die Ansammlung zusammengesetzter Fermionen zu einer Blase gekennzeichnet ist.
„Experimentalisten sind begeistert, Anomalien in ihren Daten zu finden“, sagte Gábor A. Csáthy, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Vor Jahren fanden wir mit meinem ehemaligen Postdoc Ashwani Kumar, jetzt außerordentlicher Professor am Monmouth College in Illinois, einige ungeklärte Merkmale in unseren Daten eines sehr speziellen zweidimensionalen Elektronengases mit hoher Mobilität, das im Labor von Dr. Loren Pfeiffer an der Princeton University gezüchtet wurde . Ich erinnere mich, dass wir aufgeregt waren, aber wir haben die Erklärung als trivialen, aber bekannten Effekt abgetan.“
Eine ähnliche Anomalie wie die ursprünglich von den Forschern beobachtete wurde später während einer Studie beobachtet, die von den Doktoranden Vidhi Shingla und Haoyun Huang unter der Aufsicht von Csáthy durchgeführt wurde. Ursprünglich schlug das Team vor, dass diese Anomalie einen trivialen Spin-Übergang widerspiegeln könnte, doch diese Hypothese wurde durch spätere Studien ausgeschlossen. Letztendlich fanden sie heraus, dass die Anomalie mit einem neuen topologischen Grundzustand verbunden sein könnte.
„Die topologische Physik durchdringt die zeitgenössische kondensierte Materie, die Atom- und Molekularoptik und andere Teilgebiete der Physik“, erklärte Csáthy. „Elektronische Korrelationen führen allgemein anerkanntermaßen zu neuartigen topologischen Zuständen, aber die Natur dieser topologischen Phasen ist nicht immer gut verstanden der Pennsylvania State University und von Cristiane Morais Smith an den Universitäten Fribourg und Utrecht, aber Signaturen dieser Phasen wurden nicht beobachtet.“
Mithilfe von Transportmessungen entdeckten Csáthy und seine Kollegen die Lokalisierungssignatur einer Blasenphase zusammengesetzter Fermionen. Zusammengesetzte Fermionen, die von Elektronen gebildet werden, die zwei magnetische Flussquanten einfangen und einen Bruchteil der Elementarladung tragen, wurden zuvor im fraktionierten Quanten-Hall-Regime gut dokumentiert. Im Allgemeinen sind diese zusammengesetzten Fermionen aufgrund der allgegenwärtigen Unordnung, die in experimentellen Proben vorhanden ist, zufällig lokalisiert.
„Die typischerweise geringe Dichte dieser zusammengesetzten Fermionen ist ihrer Wechselwirkung nicht förderlich“, sagte Csáthy. „Wenn jedoch die Wechselwirkung zwischen den zusammengesetzten Fermionen Unordnungseffekte überwindet, wurde vorhergesagt, dass sich zusammengesetzte Fermionen zu Blasen aus zusammengesetzten Fermionen zusammenballen. Diese Blasen ordnen sich dann auf einem dreieckigen Gitter an. Man könnte an einen unpraktischen Eierkarton denken, in dem jeder Becher mehrere enthält Eier.“ Die von der Gruppe verwendete Probe mit hoher Mobilität und die Niedrigtemperaturumgebung des Experiments boten günstige Bedingungen für die Bildung dieser Blasen.
Zusammengesetzte Fermionen, die während dieser Phase zu einer Blase geclustert werden, erzeugen charakteristische Transportsignaturen, die mit ihrer Lokalisierung verbunden sind und mit Transportmessinstrumenten erfasst werden können. Genauer gesagt fanden die Forscher heraus, dass der Längsmagnetowiderstand in ihrer Probe verschwand, während der Hall-Widerstand auf einen Bruchteil der sogenannten Klitzing-Konstante quantisiert wurde.
„Wir haben diese Signaturen bei großer Dichte der zusammengesetzten Fermionen beobachtet, bei der sich wahrscheinlich die Blasenphase der zusammengesetzten Fermionen bildet“, sagte Csáthy. „Wir haben das erste Mitglied einer neuen Klasse hoch korrelierter topologischer Phasen gefunden. In gewisser Weise erweiterten wir das Periodensystem der topologischen Phasen, die im zweidimensionalen Elektronengas nicht nur mit einem neuen Mitglied, sondern mit einem neuen stabilisiert werden können Zeitraum.“
Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams enthüllt die Existenz einer neuen korrelierten topologischen Phase, die in zukünftigen Arbeiten weiter untersucht werden könnte. Darüber hinaus könnten ihre Ergebnisse neue experimentelle Anwendungen topologischer Phasen beeinflussen, die die Manipulation zusammengesetzter Fermion-Anregungen oder anderer Probenanregungen umfassen.
„In unseren nächsten Studien werden wir wahrscheinlich die grundlegenden Eigenschaften dieser Blasenphasen untersuchen“, fügte Csáthy hinzu. „Es gibt zahlreiche offene Fragen: Unter welchen experimentellen Bedingungen bilden sich diese Blasenphasen, wie lassen sich verschiedene Arten von Blasenphasen erkennen, warum bilden sich Blasenphasen nicht überall dort, wo unsere heutige Intuition sie als stabil vorhersagen würde? Wir werden auch versuchen, zu manipulieren elektronische Wechselwirkungen, die zur Bildung dieser Blasenphasen führen.“
Mehr Informationen:
Vidhi Shingla et al, Eine hoch korrelierte topologische Blasenphase zusammengesetzter Fermionen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01939-2
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