Вченим вдалося експериментально зафіксувати рух частинок у металі, перетвореному в ізолятор за квантовими коливаннями. Оскільки ізолятори мають блокувати рух заряджених частинок, фізики запропонували назвати нові нейтральними ферміонами через можливий нейтральний заряд. Незважаючи на величезний опір матеріалу, коливання були схожі на коливання виродженого електронного газу, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Nature.
Kai Fu for the Wu Lab, Princeton University
Звідки могла з’явитися нова частинка?
Якщо запустити класичний електрон, а перпендикулярно йому направити магнітне поле, то через сили Лоренца електрон постійно повертатиметься і в підсумку рухатиметься по колу. З точки зору квантової механіки, у електронів в такій системі виникає спеціальне число — номер рівня Ландау. Кожен рівень несе у собі певну кількість електронів, а коли переповнюється, електрони починають переходити на новий, під час чого спостерігаються квантові коливання. Структура енергетичних рівнів ізолятора відрізняється від напівпровідника або провідника тим, що всі його електрони перебувають у валентній зоні, в той час, як зона провідності залишається незаповненою. Для металів це означає, що вони можуть проводити струм, а ізолятори — ні.
Однак, в ізоляторах, які належать до широкого класу з’єднань з важкими ферміонами, вчені також спостерігали квантові коливання, які свідчили про енергетичні рівні Ландау. І оскільки в ізоляторі не міг опинитися заряджений електрон, то фізики запропонували теоретичну можливість існування нейтральних частинок, що і підтвердили експериментально у цій роботі вчені Принстонського університету.
Чому нову частинку назвали нейтральним ферміоном?
Частинки за значенням спіна та квантового числа, що характеризує власний момент імпульсу, умовно поділяють на два табори: бозони і ферміони. Якщо спін частинки визначається цілим числом, то перед вами бозон, а якщо напівцілим - ферміон.
Феномен, який зафіксували вчені, не може бути пояснений існуючими теоріями, але дослідники висунули два сценарії, за яких вони або побудували невдалий напівпровідник для майоранівських ферміонів, або це були дійсно коливання в ізоляторі, однак коливалися не електрони. За другим сценарієм таку сильну взаємодію демонстрували нові квантові частинки, які мають нейтральний заряд, а тому і отримали назву нейтральних ферміонів.
Як фізики побачили нову частинку?
Із рівнями Ландау іноді може скластися ситуація, коли на одному рівні електрони вже встигли накопичитися, однак на інший ще не перейшли. Таке явище називається топологічним ізолятором, на кордонах розділу якого енергетичні рівні вибудовуються так, що поверхнею може протікати струм, а стан з такими енергіями є стабільним і нечутливим до зовнішнього впливу. Крім об'ємних топологічних ізоляторів, існують і двовимірні матеріали з аналогічними властивостями, топологічний захист яких впливає не лише на електронні стани, а і, наприклад, на екситони — пов’язані електрон-діркові пари. Саме такий ізолятор з дітеллурід вольфраму (WTe2) і побудували у своїй роботі фізики. В експерименті невелику ділянку двовимірного кристала затискали між двома шарами гексагонального нітриду бору товщиною в кілька нанометрів. Цей матеріал за кімнатної температури є напівметалом, в якому співіснує рівна кількість електронів і дірок, а якщо розрідити його у двошаровий стан, то у ньому з’являється ізоляційний зазор, що породжує високотемпературний квантовий спіновий ефект Холла.
Незважаючи на величезний опір у 120 мегаом, вчені побачили великі квантові коливання магнітоопору матеріалу з початковим полем всього близько половини тесла, а профіль коливань імітує осциляції Шубнікова - де Гааза в металах — коливання виродженого електронного газу при зміні магнітного поля. За наднизьких температур ці коливання переходили у дискретні піки близько 1,6 тесла, вище яких повністю реалізувалося квантування Ландау, що можна порівняти із поведінкою звичайних двовимірних електронних газів з високою рухливістю.