Wenn das fraktionierte Quanten-Hall-Regime eine Reihe von Autobahnen wäre, hätten diese Autobahnen entweder zwei oder vier Fahrspuren. Der Fluss der Zwei- oder Vier-Flüsse-Komposit-Fermionen, wie Autos in diesem Zwei- bis Vier-Flüsse-Komposit-Fermionen-Verkehrsszenario, erklärt natürlich die mehr als 90 fraktionellen Quanten-Hall-Zustände, die sich in einer Vielzahl von Wirtsmaterialien bilden. Physiker der Purdue University haben jedoch kürzlich herausgefunden, dass fraktionierte Quanten-Hall-Regime nicht auf Zwei- oder Vier-Flüsse beschränkt sind, und haben die Existenz eines neuen Typs von entstehenden Teilchen entdeckt, die sie als zusammengesetzte Fermionen mit sechs Flüssen bezeichnen.
Sie haben vor kurzem veröffentlicht ihre bahnbrechenden Erkenntnisse in Naturkommunikation.
Gabor Csathy, Professor und Leiter der Abteilung für Physik und Astronomie am Purdue University College of Science, zusammen mit Ph.D. Die Studenten Haoyun Huang, Waseem Hussain und der jüngste Doktorand. Der Absolvent Sean Myers leitete diese Entdeckung vom Campus West Lafayette in Purdue aus. Csathy schreibt dem Hauptautor Huang zu, dass er die Messungen konzipiert und geleitet und einen großen Teil des Manuskripts geschrieben hat. Alle Ultratieftemperaturmessungen wurden im Physics Building-Labor von Csathy durchgeführt. Sein Labor forscht zur stark korrelierten Elektronenphysik, die manchmal auch als topologische Elektronenphysik bezeichnet wird.
Schwache Wechselwirkungen von Elektronen sind gut bekannt und das Verhalten ist ziemlich vorhersehbar. Wenn Elektronen schwach wechselwirken, wird das Elektron gemeinhin als natürlicher Baustein des gesamten Systems betrachtet. Wenn die Elektronen jedoch stark interagieren, wird es nahezu unmöglich, das systemische Verhalten anhand einzelner Elektronen zu interpretieren.
„Das kommt in sehr wenigen Fällen vor, wie zum Beispiel im fraktionierten Quanten-Hall-Regime, das wir untersuchen“, sagt Csathy. „Um fraktionierte Quanten-Hall-Zustände zu erklären, gibt es das zusammengesetzte Fermion, einen sehr intuitiven Grundbaustein, in verschiedenen Varianten. Sie können eine ganze Teilmenge der fraktionierten Quanten-Hall-Zustände erklären. Aber alle vollständig entwickelten (d. h. topologisch geschützten) , fraktionierte Quanten-Hall-Zustände könnten nur durch zwei Arten zusammengesetzter Fermionen erklärt werden: die zusammengesetzten Fermionen mit zwei und vier Flüssen.
„Hier haben wir über einen neuen fraktionierten Quanten-Hall-Zustand berichtet, der durch keine dieser früheren Ideen erklärt werden kann. Stattdessen müssen wir die Existenz eines neuen Typs von auftauchenden Teilchen beschwören, der sogenannten Sechs-Fluss-Komposit-Fermionen. Die Entdeckung von Neue fraktionierte Quanten-Hall-Zustände sind selten genug. Die Entdeckung eines neuen entstehenden Teilchens in der Physik der kondensierten Materie ist jedoch wirklich selten und erstaunlich.“
Diese Ideen werden vorerst genutzt, um unser Verständnis der Anordnung der bekannten gebrochenen Quanten-Hall-Zustände in einem „Periodensystem“ zu erweitern. Besonders hervorzuheben ist bei diesem Prozess, dass das entstehende zusammengesetzte Fermion-Teilchen insofern einzigartig ist, als das Elektron sechs quantisierte magnetische Flussquanten einfängt und so das komplexeste zusammengesetzte Fermion bildet, das bisher bekannt ist.
„Die Numerologie dieses komplizierten physikalischen Rätsels erfordert einiges an Geduld“, sagt Haoyun Huang, Ph.D. von Csathy. Student. „Nehmen Sie als Beispiel den Bruchzustand nu=2/3. Da 2/3=2/(2*2-1) gehört der Zustand nu=2/3 zur Zwei-Fluss-Familie. Ebenso gilt für den Bruchzustand nu=2/7 2/7=2/(2*4-1), daher gehört dieser Zustand zur Familie der vier Flüsse. Im Gegensatz dazu stehen die von uns entdeckten gebrochenen Zustände in engem Zusammenhang mit 2/11=2/(2*6-1). Vor unserer Arbeit wurde kein vollständig quantisierter fraktionierter Quanten-Hall-Zustand beobachtet, der mit zusammengesetzten Fermionen mit sechs Flüssen in Verbindung gebracht werden könnte. Ganz anders war die Situation an der Theoriefront: Die Existenz solcher zusammengesetzter Fermionen wurde von Jainendra Jain in seiner 1989 veröffentlichten, einflussreichen Theorie der zusammengesetzten Fermionen vorhergesagt. Die damit verbundene Quantisierung wurde in diesen 34 Jahren nicht beobachtet.“
Das in dieser Studie verwendete Material wurde von einem Team der Princeton University unter der Leitung von Loren Pfeiffer angebaut. Die elektrische Qualität des GaAs-Halbleiters spielte eine große Rolle für den Erfolg dieser Forschung. Laut Csathy ist diese Princeton-Gruppe weltweit führend bei der Herstellung von GaAs-basierten Materialien höchster Qualität.
„Das GaAs, das sie anbauen, ist etwas ganz Besonderes, da die Anzahl der Unvollkommenheiten erstaunlich gering ist“, sagt er. „Die Kombination aus geringer Unordnung und dem Fachwissen im Csathy-Labor zur Messung extrem niedriger Temperaturen machte dieses Projekt möglich. Ein Grund, warum wir diese Proben gemessen haben, ist, dass die Princeton-Gruppe in jüngster Zeit die gemessene Qualität des GaAs-Halbleiters deutlich verbessert hat.“ durch die winzigen Mengen vorhandener Defekte. Diese verbesserten Proben werden mit Sicherheit weiterhin eine Spielwiese für neue Physik darstellen.“
Diese aufregende Entdeckung ist Teil der laufenden Forschung von Csathys Team. Das Team verschiebt weiterhin die Grenzen der Entdeckung in seinem beharrlichen Streben nach topologischer Elektronenphysik.
Mehr Informationen:
Haoyun Huang et al., Hinweise auf topologischen Schutz durch Six-Flux-Composite-Fermionen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45860-5