Квантовая механика давно поражает нас своими загадками, позволяя частицам нарушать привычные законы физики. Среди таких явлений — суперпозиция, туннелирование и квантовая запутанность. Однако новое исследование физиков из Университета Брауна открыло совершенно новый класс частиц, способный изменить фундаментальные принципы нашего понимания квантовой сферы. Эти частицы, названные дробными экситонами, обладают уникальными свойствами, выходящими за рамки привычного деления на бозоны и фермионы, и могут стать ключом к созданию новых квантовых технологий.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, базируется на явлении, известном как дробный квантовый эффект Холла. В классическом эффекте Холла боковое напряжение возникает при воздействии магнитного поля на проводящий материал. В квантовом аналоге напряжение изменяется дискретными шагами, а в его дробной версии — даже дробными долями заряда электрона. Именно этот феномен позволил ученым открыть новый тип частиц.
Эксперименты проводились с использованием двухслойной структуры графена, разделённого кристаллом гексагонального нитрида бора, что обеспечило контроль движения зарядов. Под воздействием сверхсильных магнитных полей исследователи наблюдали формирование экситонов — пар из электрона и дырки. Однако при дробном квантовом эффекте Холла эти экситоны демонстрировали уникальные свойства, отличные от бозонов и фермионов.
Дробные экситоны: гибриды бозонов и фермионов
Фундаментальные частицы обычно делятся на две категории: бозоны, способные занимать одно и то же квантовое состояние, и фермионы, ограниченные принципом исключения Паули. Однако дробные экситоны показали поведение, сочетающее черты обоих типов частиц. Они действовали как гибрид между бозонами и фермионами, демонстрируя свойства, напоминающие анионы — редкий тип частиц, существующих только в двумерных системах, — но также выходя за рамки их привычного поведения.
Дробные экситоны возникли из-за спаривания дробно заряженных частиц, создавая уникальные квантовые состояния. Это открытие стало первым экспериментальным доказательством существования такого рода частиц, которые могут открыть новые пути для изучения квантовой физики и манипуляций на уровне частиц. Свойства дробных экситонов обещают стать прорывом для квантовой информатики. Способность управлять их состояниями и взаимодействиями может способствовать созданию более устойчивых и мощных квантовых компьютеров. Новые частицы могут быть использованы для хранения информации или создания устойчивых к ошибкам квантовых вычислений благодаря своей уникальной квантовой статистике.
Также дробные экситоны могут привести к разработке новых материалов с необычными свойствами, таких как сверхпроводимость или топологическая устойчивость, что открывает путь к революционным технологиям.
Исследование дробных экситонов находится на раннем этапе, и впереди множество вопросов. Ученые намерены изучить, как эти частицы взаимодействуют между собой, и разработать методы для управления их состояниями. Такой контроль может позволить создавать более сложные квантовые системы и открывать новые фазы материи.
Работа команды из Университета Брауна также демонстрирует важность междисциплинарного подхода, объединяющего эксперименты с наноматериалами, теоретическую физику и квантовые вычисления. Будущие исследования дробных экситонов могут привести к созданию новых технологий, которые преобразуют мир квантовой механики.
Это открытие подчеркивает, что квантовая физика продолжает удивлять, предлагая нам новые возможности для изучения мира частиц и их применения. Как отметил один из авторов исследования: «Мы только начали царапать поверхность этого явления, и будущее квантовой науки обещает быть невероятно захватывающим».
А затем «Добавить на главный экран».