Inmitten der vielen Geheimnisse der Quantenphysik folgen subatomare Teilchen nicht immer den Regeln der physischen Welt. Sie können an zwei Orten gleichzeitig existieren, feste Barrieren überwinden und sogar über weite Entfernungen augenblicklich kommunizieren. Diese Verhaltensweisen mögen unmöglich erscheinen, aber im Quantenbereich erforschen Wissenschaftler die Eigenschaften eines Arrays, die einst für unmöglich gehalten wurden.
In einer neuen Studie haben Physiker der Brown University nun eine neuartige Klasse von Quantenteilchen namens fraktionierte Exzitonen beobachtet, die sich auf unerwartete Weise verhalten und das Verständnis der Wissenschaftler über den Quantenbereich erheblich erweitern könnten.
„Unsere Ergebnisse deuten auf eine völlig neue Klasse von Quantenteilchen hin, die keine Gesamtladung tragen, sondern einer einzigartigen Quantenstatistik folgen“, sagte Jia Li, außerordentlicher Professor für Physik an der Brown University. „Das Aufregendste daran ist, dass diese Entdeckung eine Reihe neuartiger Quantenphasen der Materie erschließt, neue Grenzen für die zukünftige Forschung darstellt, unser Verständnis der Grundlagenphysik vertieft und sogar neue Möglichkeiten in der Quantenberechnung eröffnet.“
Zusammen mit Li wurde die Forschung von drei Doktoranden – Naiyuan Zhang, Ron Nguyen und Navketan Batra – und Dima Feldman, Professorin für Physik an der Brown University, durchgeführt. Zhang, Nguyen und Batra sind Co-Erstautoren des Artikels, der in veröffentlicht wurde Natur.
Die Entdeckung des Teams dreht sich um ein Phänomen, das als fraktionierter Quanten-Hall-Effekt bekannt ist und auf dem klassischen Hall-Effekt aufbaut, bei dem ein Magnetfeld mit elektrischem Strom an ein Material angelegt wird, um eine seitliche Spannung zu erzeugen. Der Quanten-Hall-Effekt, der bei extrem niedrigen Temperaturen und hohen Magnetfeldern auftritt, zeigt, dass diese seitliche Spannung in deutlichen, separaten Sprüngen zunimmt. Beim fraktionierten Quanten-Hall-Effekt werden diese Schritte noch eigenartiger und nehmen nur um Bruchteile zu – sie tragen einen Bruchteil der Ladung eines Elektrons.
In ihren Experimenten bauten die Forscher eine Struktur mit zwei dünnen Schichten aus Graphen, einem zweidimensionalen Nanomaterial, auf, die durch einen isolierenden Kristall aus hexagonalem Bornitrid getrennt waren. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen, die Bewegung elektrischer Ladungen sorgfältig zu steuern. Es ermöglichte ihnen auch, Teilchen zu erzeugen, die als Exzitonen bekannt sind und durch die Kombination eines Elektrons und der Abwesenheit eines Elektrons, eines sogenannten Lochs, entstehen. Anschließend setzten sie das System unglaublich starken Magnetfeldern aus, die millionenfach stärker sind als die der Erde. Dies half dem Team, die neuartigen fraktionierten Exzitonen zu beobachten, die ungewöhnliche Verhaltensweisen zeigten.
Elementarteilchen lassen sich typischerweise in zwei Kategorien einteilen. Bosonen sind Teilchen, die denselben Quantenzustand haben können, was bedeutet, dass viele von ihnen ohne Einschränkungen zusammen existieren können. Fermionen hingegen folgen dem sogenannten Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass keine zwei Fermionen denselben Quantenzustand einnehmen können.
Die im Experiment beobachteten gebrochenen Exzitonen passten jedoch nicht eindeutig in eine der beiden Kategorien. Während sie die im Experiment erwarteten Bruchteilsladungen aufwiesen, zeigte ihr Verhalten Tendenzen sowohl von Bosonen als auch von Fermionen und verhielt sich fast wie eine Mischung aus beiden. Das machte sie eher zu Anyons, einem Teilchentyp, der zwischen Fermionen und Bosonen liegt – doch die fraktionierten Exzitonen hatten einzigartige Eigenschaften, die sie auch von Anyons unterschieden.
„Dieses unerwartete Verhalten legt nahe, dass fraktionierte Exzitonen eine völlig neue Klasse von Teilchen mit einzigartigen Quanteneigenschaften darstellen könnten“, sagte Zhang. „Wir zeigen, dass Exzitonen im fraktionierten Quanten-Hall-Regime existieren können und dass einige dieser Exzitonen aus der Paarung fraktional geladener Teilchen entstehen, wodurch fraktionierte Exzitonen entstehen, die sich nicht wie Bosonen verhalten.“
Die Existenz einer neuen Klasse von Teilchen könnte eines Tages dazu beitragen, die Art und Weise, wie Informationen auf Quantenebene gespeichert und manipuliert werden, zu verbessern, was zu schnelleren und zuverlässigeren Quantencomputern führen könnte, stellte das Team fest.
„Wir haben im Wesentlichen eine neue Dimension für die Erforschung und Manipulation dieses Phänomens erschlossen, und wir beginnen erst, an der Oberfläche zu kratzen“, sagte Li. „Dies ist das erste Mal, dass wir experimentell gezeigt haben, dass diese Art von Teilchen existieren, und jetzt befassen wir uns eingehender mit der Frage, was aus ihnen entstehen könnte.“
Die nächsten Schritte des Teams werden darin bestehen, zu untersuchen, wie diese fraktionierten Exzitonen interagieren und ob ihr Verhalten kontrolliert werden kann.
„Das fühlt sich an, als hätten wir den Finger direkt am Knauf der Quantenmechanik“, sagte Feldman. „Es ist ein Aspekt der Quantenmechanik, von dem wir vorher nichts wussten oder zumindest nicht zu schätzen wussten.“
