Das gab ein Team von Physikern, darunter Tigran Sedrakyan, Assistenzprofessor an der University of Massachusetts, kürzlich in der Zeitschrift bekannt Natur dass sie eine neue Phase der Materie entdeckt haben. Die als „chiraler Bose-Flüssigkeitszustand“ bezeichnete Entdeckung eröffnet einen neuen Weg in den jahrhundertealten Bemühungen, die Natur der physischen Welt zu verstehen.
Unter alltäglichen Bedingungen kann Materie fest, flüssig oder gasförmig sein. Aber sobald man sich über den Alltag hinauswagt – in Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, in Dinge, die kleiner als ein Bruchteil eines Atoms sind oder die einen extrem niedrigen Energiezustand haben – sieht die Welt ganz anders aus. „An diesen Rändern findet man Quantenzustände der Materie weit draußen“, sagt Sedrakyan, „und sie sind viel wilder als die drei klassischen Zustände, denen wir in unserem Alltag begegnen.“
Sedrakyan hat Jahre damit verbracht, diese wilden Quantenzustände zu erforschen, und er interessiert sich besonders für die Möglichkeit dessen, was Physiker „Bandentartung“, „Wassergrabenbänder“ oder „kinetische Frustration“ in stark wechselwirkender Quantenmaterie nennen.
Typischerweise stoßen Teilchen in jedem System aneinander und verursachen dabei vorhersehbare Effekte, wie etwa Billardkugeln, die aneinander stoßen und dann in einem vorhersehbaren Muster reagieren. Mit anderen Worten: Die Effekte und die Partikel korrelieren. Aber in einem frustrierten Quantensystem gibt es unendlich viele Möglichkeiten, die sich aus der Wechselwirkung von Teilchen ergeben – vielleicht schwebt die Billardkugel oder fliegt in einem unmöglichen Winkel davon – und einige dieser unendlichen Möglichkeiten können zu neuartigen Quantenzuständen führen.
Sedrakyan und seine Kollegen haben eine Frustrationsmaschine konstruiert: ein zweischichtiges Halbleiterbauelement. Die oberste Schicht ist elektronenreich und diese Elektronen können sich frei bewegen. Die untere Schicht ist mit „Löchern“ oder Stellen gefüllt, die ein umherstreifendes Elektron besetzen kann. Dann werden die beiden Schichten extrem nahe zusammengebracht – interatomare Nähe.
Wenn die Anzahl der Elektronen in der oberen Schicht und der Löcher in der unteren Schicht gleich wäre, würde man erwarten, dass die Teilchen korreliert agieren, aber Sedrakyan und seine Kollegen haben die untere Schicht so entworfen, dass es ein lokales Ungleichgewicht zwischen ihnen gibt Anzahl der Elektronen und Löcher in der unteren Schicht. „Es ist wie ein Spiel mit musikalischen Stühlen“, sagt Sedrakyan, „das darauf abzielt, die Elektronen zu frustrieren. Anstatt dass jedes Elektron einen Stuhl hat, zu dem es gehen kann, müssen sie jetzt herumkrabbeln und viele Möglichkeiten haben, wo sie ‚sitzen‘.“
Diese Frustration löst den neuartigen chiralen Randzustand aus, der eine Reihe überraschender Eigenschaften aufweist. Wenn Sie beispielsweise Quantenmaterie in einem chiralen Zustand auf den absoluten Nullpunkt abkühlen, gefrieren die Elektronen in einem vorhersehbaren Muster und die entstehenden ladungsneutralen Teilchen in diesem Zustand drehen sich alle entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Selbst wenn man ein anderes Teilchen in eines dieser Elektronen schleudert oder ein Magnetfeld anlegt, kann man seinen Spin nicht verändern – es ist überraschend robust und kann sogar zur fehlertoleranten Kodierung digitaler Daten verwendet werden.
Noch überraschender ist, was passiert, wenn ein äußeres Teilchen tatsächlich auf eines der Teilchen im chiralen Randzustand prallt. Um auf die Billardkugel-Metapher zurückzukommen: Man würde erwarten, dass die Acht-Kugel durch die Luft fliegt, wenn die Spielkugel darauf prallt. Wenn sich die Billardkugeln jedoch in einem chiralen Bose-Flüssigkeits-Zustand befänden, würden alle 15 beim Schlagen der Achterkugel genau gleich reagieren. Dieser Effekt ist auf die in diesem Quantensystem vorhandene weitreichende Verschränkung zurückzuführen.
Es ist schwierig, den chiralen Bose-Flüssigkeitszustand zu beobachten, weshalb er so lange verborgen blieb. Zu diesem Zweck entwarf das Wissenschaftlerteam, darunter die theoretischen Physiker Rui Wang und Baigeng Wang (beide von der Universität Nanjing) sowie die Experimentalphysiker Lingjie Du (Universität Nanjing) und Rui-Rui Du (Universität Peking), eine Theorie und ein Experiment dazu nutzte ein extrem starkes Magnetfeld, das in der Lage ist, die Bewegungen der Elektronen zu messen, während sie um Stühle rennen.
„Am Rand der Halbleiterdoppelschicht bewegen sich Elektronen und Löcher mit den gleichen Geschwindigkeiten“, sagt Lingjie Du. „Dies führt zu einem helixartigen Transport, der durch externe Magnetfelder weiter moduliert werden kann, da die Elektronen- und Lochkanäle unter höheren Feldern allmählich getrennt werden.“ Den Magnetotransport-Experimenten gelang es daher, den ersten Beweis für die chirale Bose-Flüssigkeit zu liefern, die die Autoren in der veröffentlichten Arbeit auch als „exzitonische topologische Ordnung“ bezeichnen.
Diese Arbeit wurde vom National Key R&D Program of China, der National Natural Science Foundation of China, dem Program for Innovative Talents and Entrepreneurs in Jiangsu, der Xiaomi Foundation, der Chinese Academy of Sciences und der National Science Foundation unterstützt.
