Se il regime di Hall quantistico frazionario fosse una serie di autostrade, queste avrebbero due o quattro corsie. Il flusso dei fermioni compositi a due o quattro flussi, come le automobili in questo scenario di traffico di fermioni compositi a due o quattro flussi, spiega naturalmente gli oltre 90 stati Hall quantistici frazionari che si formano in un’ampia varietà di materiali ospiti. I fisici della Purdue University hanno recentemente scoperto, tuttavia, che i regimi di Hall quantistici frazionari non sono limitati a due o quattro flussi e hanno scoperto l'esistenza di un nuovo tipo di particella emergente, che chiamano fermione composito a sei flussi. /P>
Recentemente hanno pubblicato le loro scoperte rivoluzionarie su Nature Communications .
Gabor Csathy, professore e capo del Dipartimento di Fisica e Astronomia presso il Purdue University College of Science, insieme al Ph.D. studenti Haoyun Huang, Waseem Hussain e recenti dottorandi. laureato Sean Myers, ha condotto questa scoperta dal campus West Lafayette di Purdue. Csathy attribuisce all'autore principale Huang il merito di aver concepito e condotto le misurazioni e di aver scritto gran parte del manoscritto. Tutte le misurazioni a temperatura ultra-bassa sono state completate nel laboratorio di Physics Building di Csathy. Il suo laboratorio conduce ricerche sulla fisica degli elettroni fortemente correlata, a volte definita fisica degli elettroni topologica.
Le interazioni deboli degli elettroni sono ben stabilite e il comportamento è abbastanza prevedibile. Quando gli elettroni interagiscono debolmente, l’elettrone è comunemente considerato l’elemento costitutivo naturale dell’intero sistema. Ma quando gli elettroni interagiscono fortemente, interpretare il comportamento sistemico pensando ai singoli elettroni diventa quasi impossibile.
"Ciò si verifica in pochissimi casi, come ad esempio nel regime di Hall quantistico frazionario che studiamo", afferma Csathy. "Per spiegare gli stati di Hall quantistici frazionari, il fermione composito, un elemento costitutivo fondamentale molto intuitivo, è disponibile in diversi modi. Possono rappresentare un intero sottoinsieme degli stati di Hall quantistici frazionari. Ma tutti quelli completamente sviluppati (cioè topologicamente protetti) , gli stati Hall quantistici frazionari potrebbero essere spiegati solo da due tipi di fermioni compositi:i fermioni compositi a due flussi e a quattro flussi.
"Qui abbiamo riportato un nuovo stato Hall quantistico frazionario che non può essere spiegato da nessuna delle idee precedenti. Dobbiamo invece invocare l'esistenza di un nuovo tipo di particella emergente, i cosiddetti fermioni compositi a sei flussi. La scoperta di nuovi stati di Hall quantistici frazionari sono già abbastanza scarsi. Tuttavia, la scoperta di una nuova particella emergente nella fisica della materia condensata è davvero rara e sorprendente."
Per ora, queste idee verranno utilizzate per espandere la nostra comprensione dell’ordinamento degli stati Hall quantistici frazionari conosciuti in una “tavola periodica”. È particolarmente degno di nota in questo processo il fatto che la particella fermionica composita emergente è unica in quanto l'elettrone cattura sei quanti di flusso magnetico quantizzati, formando il fermione composito più intricato finora conosciuto.
"La numerologia di questo complicato enigma della fisica richiede un po' di pazienza", afferma Haoyun Huang, Ph.D. di Csathy. alunno. "Prendiamo come esempio lo stato frazionario nu=2/3. Poiché 2/3=2/(2*2 -1), lo stato nu=2/3 appartiene alla famiglia dei due flussi. Allo stesso modo, per lo stato frazionario nu=2/7, 2/7=2/(2*4 -1), quindi questo stato appartiene alla famiglia dei quattro flussi. Al contrario, gli stati frazionari che abbiamo scoperto sono strettamente correlati a 2/11=2/(2*6 -1). Prima del nostro lavoro, non era stato osservato alcuno stato Hall quantistico frazionario completamente quantizzato che potesse essere associato a fermioni compositi a sei flussi. La situazione era completamente diversa sul fronte teorico:l'esistenza di questo tipo di fermioni compositi fu prevista da Jainendra Jain nella sua teoria molto influente dei fermioni compositi pubblicata nel 1989. La quantizzazione associata non fu osservata durante questi 34 anni."
Il materiale utilizzato in questo studio è stato coltivato da un team dell'Università di Princeton guidato da Loren Pfeiffer. La qualità elettrica dei semiconduttori GaAs ha svolto un ruolo enorme nel successo di questa ricerca. Secondo Csathy, questo gruppo di Princeton è leader mondiale nella coltivazione di materiali a base di GaAs della massima qualità.
"Il GaAs che coltivano è molto speciale, poiché il numero di imperfezioni è sorprendentemente basso", afferma. "La combinazione di basso disordine e competenza nella misurazione di temperature ultra-basse nel laboratorio Csathy ha reso possibile questo progetto. Uno dei motivi per cui stavamo misurando questi campioni è che molto recentemente il gruppo di Princeton ha migliorato significativamente la qualità del semiconduttore GaAs, come misurato dalle piccole quantità di difetti presenti. Questi campioni migliorati continueranno sicuramente a costituire un parco giochi per la nuova fisica."
Questa entusiasmante scoperta fa parte della ricerca in corso da parte del team di Csathy. Il team continua a spingersi oltre i limiti della scoperta nella continua ricerca della fisica topologica degli elettroni.
Ulteriori informazioni: Haoyun Huang et al, Prove per la protezione topologica derivata da fermioni compositi a sei flussi, Comunicazioni naturali (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5
Fornito dalla Purdue University
