Физики обнаружили дробные экситоны — частицы, нарушающие законы квантового мира

В ходе нового исследования физики Брауновского университета обнаружили новый класс квантовых частиц — дробные экситоны, которые ведут себя неожиданным образом и могут существенно расширить понимание учёными квантового мира.

«Наши открытия указывают на совершенно новый класс квантовых частиц, которые не несут общего заряда, но следуют уникальной квантовой статистике», — заявил Цзя Ли, доцент кафедры физики Брауновского университета.

Исследование проводилось совместно с тремя аспирантами, а также профессором физики Брауновского университета. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature.

Открытие команды связано с явлением, известным как дробный квантовый эффект Холла. В ходе экспериментов исследователи создали структуру из двух тонких слоёв графена, разделённых изолирующим кристаллом гексагонального нитрида бора. Такая установка позволила им тщательно контролировать движение электрических зарядов и генерировать частицы, известные как экситоны.

Экситонное спаривание и дробный квантовый эффект Холла в квантовом холловском бислое. Источник: Naiyuan J. Zhang et al

Подвергнув систему воздействию чрезвычайно сильных магнитных полей, в миллионы раз превышающих земное, команда наблюдала новые дробные экситоны с необычным набором свойств. Эти частицы не вписывались ни в одну из традиционных категорий — бозонов или фермионов, проявляя свойства обоих типов частиц.

«Это неожиданное поведение позволяет предположить, что дробные экситоны могут представлять собой совершенно новый класс частиц с уникальными квантовыми свойствами. Мы показали, что экситоны могут существовать в режиме дробного квантового эффекта Холла, и некоторые из этих экситонов возникают из спаривания частиц с дробным зарядом», — отметил один из соавторов исследования.

Существование нового класса частиц может в будущем помочь улучшить способы хранения и управления информацией на квантовом уровне, что приведёт к созданию более быстрых и надёжных квантовых компьютеров.

«Мы фактически открыли новое измерение для изучения и управления этим явлением, и это только начало. Впервые мы экспериментально доказали существование таких частиц, и теперь мы глубже исследуем их возможности. Это аспект квантовой механики, о котором мы не знали или, по крайней мере, не осознавали его значимость до настоящего момента», — подчеркнул Ли.

Следующим шагом команды станет изучение взаимодействия дробных экситонов и возможностей управления их поведением.