Fizikçiler bozonlardan yapılmış maddeye rastladılar

Bir ızgarayı (pencere perdesi veya petek gibi normal hücrelerden oluşan bir ızgaranın düz bir bölümü) alın ve üstüne benzer başka bir ızgara yerleştirin. Ancak ızgaraların her birinin kenarlarını veya hücrelerini hizalamaya çalışmak yerine, alt ızgaranın bazı kısımlarını görebilmek için üst ızgarayı döndürün. Bu yeni üçüncü kalıp harelidir ve UC Santa Barbara fizikçilerinin bazı ilginç malzeme davranışları buldukları tungsten diselenide ve tungsten disülfid kafeslerinin bu tür iç içe düzenlemesi arasındadır.

Chenhao Jin’in grubunda yüksek lisans öğrencisi araştırmacı, UCLA’da yoğun madde fizikçisi ve Science dergisindeki bir makalenin baş yazarı olan Richen Xiong, “Maddenin yeni bir halini keşfettik – tutarlı bir bozon yalıtkanı” dedi. Xiong, Jin ve UCSB, Arizona Eyalet Üniversitesi ve Japonya’daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü’nden işbirlikçilere göre, bu tür malzemeler ilk kez “gerçek” (sentetik değil) bir malzeme sisteminde yaratılıyor. Eşsiz madde, eksiton adı verilen yüksek düzeyde düzenli bir bozon parçacıkları kristalidir.

Jin, “Geleneksel olarak, insanlar çabalarının çoğunu birçok fermiyonu bir araya getirdiğinizde ne olduğunu anlamaya harcadılar” dedi. “Çalışmamızın ana itici gücü, esasen etkileşen bozonlardan yeni bir malzeme yapmış olmamızdır.”

İki istiflenmiş hafifçe ofset hareli adı verilen yeni bir desen oluşturur. Kredi bilgileri: Matt Bierko

Bozonik. dişli yalıtkan.

Atomaltı parçacıklar iki geniş türden birinde gelir: fermiyonlar ve bozonlar. Jin, en büyük farklılıklardan birinin davranışlarında olduğunu söyledi.

“Bozonlar aynı enerji seviyesini işgal edebilir; fermiyonlar bir arada kalmayı sevmezler” dedi. Birlikte, bu davranışlar evreni bildiğimiz şekliyle inşa ediyor.”

Fermiyonlar, tıpkı elektronlar gibi, kararlı oldukları ve elektrostatik kuvvet aracılığıyla etkileştikleri için en aşina olduğumuz maddenin temelini oluşturur. Bu arada, fotonlar (ışık parçacıkları) gibi bozonların yaratılması veya manipüle edilmesi daha zor olma eğilimindedir çünkü ya geçicidirler ya da birbirleriyle etkileşime girmezler.

Xiong, ayırt edici davranışlarının kanıtının, farklı kuantum mekanik özelliklerinde yattığını açıkladı. Fermiyonlar 1/2 veya 3/2 gibi yarım tamsayı “spinlere” sahipken, bozonlar tamsayı spinlere (1, 2, vb.) sahiptir. Bir eksiton, negatif yüklü bir elektronun (bir fermiyon) karşılık gelen pozitif yüklü “deliğe” (başka bir fermiyon) bağlı olduğu, yarım tam sayıyı bir tamsayı haline getirmek için birlikte döndürerek bir bozonla sonuçlanan bir durumdur.

Jin’in laboratuvarı, soldan sağa: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. kredi
Sonia Fernandez

Araştırmacılar, sistemlerinde eksitonları oluşturmak ve tanımlamak için iki kafesi katmanlaştırdılar ve “pompa spektroskopisi” adını verdikleri bir yöntemle üzerlerine güçlü ışıklar tuttular. Hem kafeslerden (tungsten disülfidden elektronlar ve tungsten dioksitten delikler) hem de ışıktan parçacıkların toplanması, araştırmacıların bu parçacıkların davranışını araştırmasına izin verirken, eksitonlar arasındaki oluşum ve etkileşimlere elverişli bir ortam yarattı.

Jin, “Ve bu eksitonlar belirli bir yoğunluğa ulaştığında artık hareket edemez hale geldiler” dedi. Bu parçacıkların belirli bir yoğunluktaki toplu davranışları, güçlü etkileşimler sayesinde onları kristal bir duruma zorlamış ve kararlılıkları nedeniyle yalıtkan bir etki yaratmıştır.

Xiong, “Burada olan şey, bozonları daha yüksek mertebeden bir duruma iten ilişkiyi keşfettik” diye ekledi. Genel olarak, çok soğuk sıcaklıklar altında gevşek bir bozon topluluğu bir yoğunlaştırıcı oluşturur, ancak bu rejimde, hem hafif hem de artan yoğunluk ve nispeten daha yüksek sıcaklıklarda etkileşim ile, kendilerini simetrik olarak yüklü, nötr katı bir yalıtkan olarak organize ettiler.

Maddenin bu tuhaf halinin yaratılması, araştırmacıların dalgalı platform ve pompa spektroskopisinin bozonik maddenin yaratılması ve araştırılması için önemli bir araç haline gelebileceğini kanıtlıyor.

Xiong, “Süper iletkenlik gibi şeylere yol açan fermiyonlu birçok vücut aşaması var.” Dedi. Ayrıca egzotik fazlar olan bozonlara benzer birçok cisim vardır. Dolayısıyla bir platform yarattık, çünkü gerçek malzemelerde bozonları incelemek için harika bir yöntemimiz yoktu.” Eksitonlar iyi çalışılmış olsa da, bu projenin bile onları bozonlarla güçlü bir şekilde etkileşime girmeye ikna edecek bir yolu olmadığını da sözlerine ekledi. birbirine göre.

Jin’e göre yöntemleri sayesinde, yalnızca eksitonlar gibi iyi bilinen bozonik parçacıkları incelemek değil, aynı zamanda yeni bozonik malzemelerle yoğun madde dünyasına daha fazla pencere açmak da mümkün olabilir.

“Bazı malzemelerin çok garip özelliklere sahip olduğunu biliyoruz” dedi. “Yoğun madde fiziğinin amaçlarından biri, neden bu kadar zengin özelliklere sahip olduğunu anlamak ve bu davranışların daha güvenilir görünmesini sağlamanın yollarını bulmaktır.”

Referans: “WSe’de eksitonların tutarlı yalıtkanı₂/ WS₂ Super Moire”, Richen Xiong, Jacob H.Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai ve Chenhao Jin 11 Mayıs 2023, Buradan Erişilebilir. Bilimler.
DOI: 10.1126/science.add5574