Neue Bizarre Zustand der Materie scheint Elementarteilchen gespalten

Eine bizarre neue Aggregatzustand entdeckt worden – eine in der Elektronen, die in der Regel unteilbar sind auseinander zu brechen scheinen.

Der neue Zustand der Materie, die vorausgesagt wurden, aber nie im wirklichen Leben vor Formen entdeckt, wenn die Elektronen in einem exotischen Material geben Sie in eine Art von "Quanten-Dance", in dem die Spins der Elektronen in einer bestimmten Weise interagieren sagte Arnab Banerjee, Physiker am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Die Ergebnisse der Weg besser Quantencomputer ebnen könnte, sagte Banerjee. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Der Tanz der Drehungen

Während die meisten Leute nur die drei gewöhnliche Zustände der Materie im täglichen Leben begegnen – Feststoff, Flüssigkeit und Gas – unter besonderen Bedingungen, exotische Zustände der Materie entstehen können.

Zum Beispiel schlug vor etwa 40 Jahren Physiker die Existenz einer Sache Zustand nennt man eine Quantum Spin Flüssigkeit, in der Elektronen interagieren, um bizarre Effekte zu erzeugen. Elektronen haben eine intrinsische Eigenschaft namens Spin, was bedeutet, dass sie wie winzige Stabmagneten, Orient in eine Richtung oder ein anderes handeln. Wenn alle diese kleinen Magnete in eine Richtung ausrichten, bezeichnet man als ferromagnetischen Material. Ein Material mit abwechselnden Drehungen ist Anti-ferromagnetische und ein Material mit ungeordneten Spins, die nicht interagieren sind paramagnetisch.

Wie die meisten Materialien lassen abkühlen, sind in der Regel diese teensy bar Magneten ausrichten. Aber in einer Quantum Spin Flüssigkeit, die winzige bar Magnete "reden" miteinander, so dass sie Einfluss auf welche Art und Weise sind die anderen Spinnen, aber immer noch in Unordnung egal wie kalt das Material wird, sagte Banerjee.

Eine Quantum Spin Flüssigkeit könnte scheinen, wie eine solide, was bedeutet, dass es eine wörtliche Brocken der Materie sein könnte, die in der Hand gehalten werden konnte. Würden Sie heranzoomen und betrachten Sie nur das Material Elektronen in den äußeren Ringen der Atome, hätte die Elektronen des Materials die ungeordneten Interaktionen Eigenschaft einer Flüssigkeit, allerdings sagte Banerjee.

"sie noch miteinander interagieren; Sie bilden Wellen und Wellen Form. Aber sie sind nicht zusammen gehalten ", sagte Banerjee Live Science.

Zum Beispiel über ein Jahrzehnt Physiker Alexei Kitaev vorhergesagt, dass eine besondere Form der Quantum Spin Flüssigkeit machen könnte es scheinen, als ob die Elektronen brachen in Majorana Fermionen, lange vorhergesagt Partikel, die als ihre eigenen Antiteilchen fungieren können. Wenn dieser neue Zustand der Materie vorhanden ist, hätte es einige wirklich bizarre Effekte, weil während Protonen und Neutronen aus kleineren Teilchen Quarks bestehen, Elektronen als werden fundamentale Teilchen mit Spin und Ladung, die unteilbar sind. [7 merkwürdige Fakten über Quarks]

Obwohl die Elektronen in diesem Fall nicht wirklich in winzige Teile brechen würde, ihre Spin-Interaktionen machen würde es aussehen, als ob sie fragmentiert hatte, weshalb die Majorana Fermionen in diesem Zustand der Materie "Quasiteilchen," genannt werden, sagte Banerjee.

Spezielles material

Banerjee und seine Kollegen wollten beweisen, dass Kitaevs Vorhersagen in der realen Welt aufgetreten. So sahen ein Pulver besteht aus Blätterteig Material namens alpha Ruthenium-Chlorid. Die Atome des alpha Ruthenium-Chlorid sind zweidimensionale Blätter in einem Wabenmuster ausgerichtet. Das Team Ruthenium verwendet, da das Element nur ein Elektron in seiner äußeren Hülle besitzt, was bedeutet, dass das Material anfälliger für die Art der Quantum Fluktuation ist, das die notwendigen Interaktionen zwischen Elektronen, produziert, sagte Banerjee.

Dann bombardiert das Team das Material mit Neutronen, die aufgeregt, die Spins der Elektronen, wodurch eine Art "Splash" auf der Quantenebene. Als nächstes, beobachteten sie das Muster der Neutronen abprallen des Materials.

Das Team auf der Grundlage der Muster der gestreuten Neutronen abgeleitet werden, dass das Material in der Tat die Elektronen Form Paare von Majorana Fermionen verursacht hatte.

Im Material, "eine Gruppe von Elektronen in einem Tanz gehen", sagte Banerjee. "Es ist dieses Team von Elektronen, die diese Wahrnehmung, dass gibt ' Ah! Nun haben Sie eine Trennung des Elektrons in kleinere Partikel. ""

Diese bizarre Wellen sehen sehr unterschiedlich aus, was in eine gewöhnliche Quantum Spin Flüssigkeit erwartet werden würde. Darüber hinaus die Wellen hatten die charakteristische Unterschrift des Majorana Fermion Bildung und gibt es auch bei kleinen Temperaturänderungen ausgesetzt.

"Um zu sehen, wie sie wirklich in einem Material in ein großes Stück des Materials können Sie in [der] Hand halten ist etwas ganz besonderes", sagte Banerjee.

Quantum computing material

Das neue Material, das die Wissenschaftler eine Kitaev Quantum Spin Flüssigkeit genannt, schließlich den Weg für robustere Quantencomputer ebnen könnte, sagte Banerjee.

In Quantum computing, anstelle von Codierungsinformationen in den klassischen Bits "0" und "1", Atome oder Partikel eines Materials in einer Überlagerung von alle möglichen Zustände zwischen 0 und 1, d. h. jeder Quantenbit oder Qubit, existieren kann viele Bits gleichzeitig bearbeiten, und die Quantenverschränkung Informationen Berechnungen sofort ausgeführt werden kann, sagte Banerjee.

Aber traditionell Qubits produzieren verwendeten Materialien sind wählerisch und teuer, erfordern mühsame "Babysitter" um sicherzustellen, dass es gibt absolut keine Bewegung oder Temperaturschwankungen und keine Mängel in der Materialien, sagte Banerjee.

Im Gegensatz dazu wenn Forscher gemacht von einer Flüssigkeit Kitaev Spin Qubits erstellen könnte, diese Qubits würde bei höheren Temperaturen stabil sein und treten unabhängig von Unvollkommenheiten in den Materialeigenschaften, sagte er.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Materials 4 April veröffentlicht.

Folgen Sie Tia Ghose auf Twitter und Google + . Folgen Sie Leben-Wissenschaft @livescience , Facebook & Google + .