צוות פיזיקאים מאוניברסיטת פרדו גילה חלקיק חדש, הפרמיון המרוכב שישה שטפים, המרחיב את ההבנה של אפקט הול הקוונטי השבר מעבר למצבי שני השטפים וארבע השטפים הידועים. ממצא משמעותי זה מדגיש את התפקיד הקריטי של חומרים מוליכים למחצה באיכות גבוהה ותומך בקידום מחקר הפיזיקה הקוונטית.
אם משטר הול הקוונטי השברירי היה סדרה של כבישים מהירים, לכבישים המהירים הללו היו שניים או ארבעה נתיבים. הזרימה של פרמיונים מרוכבים עם שני זרמים או ארבע זרמים, כמו מכוניות בתרחיש תעבורת פרמיונים מרוכבים של שניים עד ארבעה זרמים, מסבירה באופן טבעי את יותר מ-90 מצבי הול קוונטיים חלקיים שנוצרים במגוון גדול של חומרים מארח.
עם זאת, פיזיקאים מאוניברסיטת פרדו גילו לאחרונה כי משטרי הול קוונטיים שבריריים אינם מוגבלים לשני שטפים או ארבע שטפים וגילו את קיומו של סוג חדש של חלקיקים מתהווים, שהם מכנים פרמיון מרוכב שישה שטפים. לאחרונה הם פרסמו את הממצאים פורצי הדרך שלהם ב תקשורת טבע.
Gabor Csathy, פרופסור וראש המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה במכללת Purdue University of Science, יחד עם Ph.D. סטודנטים Haoyun Huang, Waseem Hussain, ודוקטורט לאחרונה. בוגר שון מאיירס, הוביל את הגילוי הזה מקמפוס מערב לאפייט של פרדו. Csathy מציין את הסופר הראשי הואנג שהרה, הוביל את המדידות וכתיבת חלק גדול מכתב היד. כל מדידות הטמפרטורה האולטרה-נמוכות הושלמו במעבדת בניין הפיזיקה של Csathy. במעבדה שלו הם עורכים מחקר על פיזיקת אלקטרונים בקורלציה חזקה, המכונה לפעמים פיזיקת אלקטרונים טופולוגית.
הבנת אינטראקציות אלקטרונים
אינטראקציות חלשות של אלקטרונים מבוססות היטב, וההתנהגות די צפויה. כאשר אלקטרונים מקיימים אינטראקציה חלשה, האלקטרון נחשב בדרך כלל לאבן הבניין הטבעית של המערכת כולה. אבל כאשר האלקטרונים מקיימים אינטראקציה חזקה, פירוש ההתנהגות המערכתית על ידי חשיבה על אלקטרונים בודדים הופך כמעט בלתי אפשרי.
"זה קורה במעט מאוד מקרים, כמו במשטר הול הקוונטי השברירי שאנו חוקרים, למשל", אומר Csathy. "כדי להסביר מצבי הול קוונטיים חלקיים, הפרמיון המרוכב, אבן בניין בסיסית מאוד אינטואיטיבית, מגיע בטעמים שונים. הם יכולים להסביר תת-קבוצה שלמה של מצבי הול הקוונטים השבריריים. אבל כל המצבים הקוונטיים הקוונטיים המפותחים במלואם (כלומר מוגנים טופולוגית), יכולים להיות אחראים רק על ידי שני סוגים של פרמיונים מרוכבים: פרמיונים מרוכבים דו-שטף וארבע-שטפים. כאן דיווחנו על מצב הול קוונטי שבריר חדש שלא ניתן להסביר על ידי אף אחד מהרעיונות הקודמים הללו! במקום זאת, עלינו להעיר את קיומו של סוג חדש של חלקיקים מתעוררים, מה שנקרא פרמיונים מרוכבים שישה שטף. הגילוי של מצבי הול קוונטיים שבריריים חדשים הוא דל מספיק. עם זאת, הגילוי של חלקיק חדש בפיזיקת החומר המעובה הוא נדיר ומדהים באמת."
הרחבת הטבלה המחזורית של מדינות קוונטיות
לעת עתה, רעיונות אלה ישמשו כדי להרחיב את הבנתנו את הסדר של מצבי היכל הקוונטי השברירי הידוע ל"טבלה מחזורית". בולט במיוחד לתהליך זה שחלקיק הפרמיון המרוכב המתעורר הוא ייחודי בכך שהאלקטרון לוכד שש קוונטות שטף מגנטי כמותי, ויוצרות את הפרמיון המרוכב המורכב ביותר הידוע עד כה.
"הנומרולוגיה של חידת הפיזיקה המסובכת הזו דורשת לא מעט סבלנות", אומר האיון הואנג, סטודנט לדוקטורט של סאתי. "קח את מצב השבר nu=2/3 כדוגמה. מאז 2/3=2/(2*2-1), המצב nu=2/3 שייך למשפחת שני השטפים. באופן דומה, עבור מצב השבר nu=2/7, 2/7=2/(2*4-1), אז מצב זה שייך למשפחת ארבעת השטפים. לעומת זאת, מצבי השבר שגילינו קשורים קשר הדוק ל-2/11=2/(2*6-1). לפני עבודתנו, לא נראה מצב הול קוונטי מקומתי במלואו שיכול להיות קשור לפרמיונים מרוכבים בעלי שישה שטף. המצב היה שונה לחלוטין בחזית התיאוריה: קיומם של סוגים אלה של פרמיונים מרוכבים נחזה על ידי ג'אייננדרה ג'יין בתיאוריה רבת ההשפעה שלו על פרמיונים מרוכבים שפורסמה ב-1989. הקוונטיזציה הקשורה לא נצפתה במהלך 34 השנים הללו".
החומר המשמש במחקר זה גדל על ידי א אוניברסיטת פרינסטון צוות בראשות לורן פייפר. איכות החשמל של המוליכים למחצה GaAs שיחקה תפקיד עצום בהצלחת המחקר הזה. לדברי Csathy, קבוצת פרינסטון זו מובילה את העולם בגידול חומרים מבוססי GaAs האיכותיים ביותר.
"ה-GaAs שהם מגדלים הם מאוד מיוחדים, מכיוון שמספר הפגמים נמוך להדהים", הוא אומר. "השילוב של הפרעה נמוכה ומומחיות למדידת טמפרטורות נמוכות במיוחד במעבדת Csathy אפשרו את הפרויקט הזה. אחת הסיבות שמדדנו את הדגימות הללו היא שממש לאחרונה קבוצת פרינסטון שיפרה משמעותית את איכות המוליך למחצה GaAs, כפי שנמדדה על ידי כמויות זעירות של פגמים שקיימים. הדגימות המשופרות הללו ימשיכו, ללא ספק, להוות מגרש משחקים לפיזיקה חדשה".
התגלית המרגשת הזו היא חלק ממחקר מתמשך של הצוות של Csathy. הצוות ממשיך לדחוף את גבולות הגילוי במרדף העיקש שלהם לפיזיקת אלקטרונים טופולוגית.
מדידות טמפרטורות נמוכות במעבדה של Csathy נתמכו על ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע, תוכנית מדעי האנרגיה הבסיסיים, תחת פרס מס' DE-SC0006671. מאמצי צמיחה לדוגמה של צוות פרינסטון נתמכו על ידי מענק מס' GBMF 4420 של קרן גורדון ובטי מור ומענק מס' DMR-1420541 של הקרן הלאומית למדע MRSEC.
