يعثر الفيزيائيون على جسم مصنوع من البوزونات

خذ شبكة – خذ مقطعًا مسطحًا من شبكة من الخلايا المنتظمة ، مثل شاشة نافذة أو قرص عسل ، وضع شبكة أخرى مماثلة فوقه. ولكن بدلاً من محاولة محاذاة حواف أو خلايا الشبكتين ، امنح الشبكة العلوية تحريفًا حتى تتمكن من رؤية أجزاء من الجزء السفلي. هذا النمط الجديد الثالث عبارة عن تموج في النسيج ، وهو يقع بين هذا النوع من البنية المتداخلة لشبكات من ديسيلينيد التنجستن وثاني كبريتيد التنجستن ، حيث اكتشف علماء الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا بعض السلوكيات المادية المثيرة للاهتمام.

“اكتشفنا حالة جديدة للمادة – عازل بوزوني متماسك” ، هذا ما قاله ريتشين شيونغ ، طالب دراسات عليا باحث في مجموعة تشينهاو جين ، عالم فيزياء المادة المكثفة بجامعة كاليفورنيا ، والمؤلف الرئيسي لورقة بحثية في مجلة العلوم. وفقًا لـ Xiong و Jin والمتعاونين من UCSB وجامعة ولاية أريزونا والمعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان ، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء مثل هذه المواد في نظام مادة “حقيقي” (على عكس الاصطناعية). المادة الفريدة هي بلورة عالية الترتيب من الجسيمات البوزونية تسمى الإكسيتونات.

قال جين: “عادةً ما يبذل الناس معظم جهودهم في محاولة لفهم ما يحدث عندما تجمع الكثير من الفرميونات معًا”. “الدافع الرئيسي لعملنا هو أننا أنشأنا مادة جديدة من تفاعل البوزونات.”

طبقتان مع إزاحة طفيفة تنشئ نمطًا جديدًا يسمى تموج في النسيج. الائتمان: مات بيركو

بوسونيك. متعلق ب عازل.

تأتي الجسيمات دون الذرية في إحدى فئتين عريضتين: الفرميونات والبوزونات. قال جين إن أحد أكبر الاختلافات هو سلوكهم.

“يمكن للبوزونات أن تشغل نفس مستوى الطاقة ؛ قال: “الفرميونات لا تريد أن تكون معًا. هذه السلوكيات معًا تشكل الكون كما نعرفه”.

تتفاعل الفرميونات ، مثل الإلكترونات ، من خلال القوى الساكنة والكهرباء الساكنة ، مما يؤكد موضوعًا نعرفه جميعًا. وفي الوقت نفسه ، فإن البوزونات مثل الفوتونات (جسيمات الضوء) يصعب تكوينها أو معالجتها لأنها سريعة جدًا أو لا تتفاعل مع بعضها البعض.

وأوضح شيونغ أن دليل سلوكهم الفريد يكمن في خواصهم الميكانيكية الكمية المختلفة. تحتوي الفرميونات على “عدد دورات” عدد نصف صحيح مثل 1/2 أو 3/2 ، بينما تحتوي البوزونات على عدد دورات عدد صحيح كامل (1 ، 2 ، إلخ). الإكسايتون هو إلكترون سالب الشحنة (فرميون) مرتبط بنظيره موجب الشحنة “ثقب” (فيرميون آخر) ، وهما عددان نصف صحيحان يتحدان ليشكلان عددًا صحيحًا كاملاً ، مكونين جسيم بوزوني.

مختبر جين ، من اليسار إلى اليمين: تيان شي ، ريتشن شيونغ ، تشينهاو جين ، صموئيل ل. برانتلي. دَين
سونيا فرنانديز

لإنشاء وتحديد الإكسايتونات في نظامهم ، قام الباحثون بتكديس شبكتين وألقوا ضوءًا قويًا عليهما بطريقة يسمونها “التحليل الطيفي للمضخة”. سمح الجمع بين الجزيئات من كل شبكة (إلكترونات من ثاني كبريتيد التنجستن والثقوب من ثاني أكسيد التنغستن) والضوء للباحثين بدراسة سلوك هذه الجسيمات مع خلق بيئة مواتية لتوليد وتفاعلات الإكسيتونات.

قال جين: “وعندما وصلت هذه الأكسيتونات إلى كثافة معينة ، لم تعد قادرة على الحركة”. بفضل التفاعلات القوية ، أجبرتها السلوكيات الجماعية لهذه الجسيمات عند كثافة معينة على الدخول في حالة بلورية ، وخلقت تأثيرًا عازلًا بسبب ثباتها.

وأضاف شيونغ: “ما حدث هنا هو أننا اكتشفنا ارتباطًا يدفع البوزونات إلى حالة أكثر تنظيمًا”. عادة ، تشكل مجموعة فضفاضة من البوزونات في درجات حرارة شديدة البرودة مكثفًا ، ولكن في هذا النظام ، يتفاعلون مع الضوء وزيادة الكثافة ودرجة الحرارة المرتفعة نسبيًا ، وينظمون أنفسهم في عازل صلب متماثل ومحايد الشحنة.

يوضح إنشاء هذه المادة الغريبة أن منصة Moiré للباحثين والتحليل الطيفي للمضخة يمكن أن تصبح وسيلة مهمة لإنشاء ودراسة المواد البوزونية.

قال شيونغ: “هناك العديد من الأطوار الفيزيائية للفرميونات التي تؤدي إلى أشياء مثل الموصلية الفائقة”. “هناك أيضًا العديد من الأجسام المماثلة للبوزونات ، وهي مراحل غريبة. لذا ما فعلناه هو إنشاء منصة لأننا لا نملك طريقة جيدة لدراسة البوزونات في المواد الحقيقية. على الرغم من أن الإكسايتونات تمت دراستها جيدًا ، حتى هذا لم يكن هناك طريقة لحثهم على التفاعل بقوة مع بعضهم البعض “.

من خلال طريقتهم ، وفقًا لجين ، لا يمكنهم فقط دراسة الجسيمات البوزونية المعروفة مثل الإكسيتونات ، ولكن أيضًا فتح المزيد من النوافذ في عالم المادة المكثفة بمواد بوزونية جديدة.

وقال “نحن نعلم أن بعض المواد لها خصائص غريبة للغاية”. “وأحد أهداف فيزياء المادة المكثفة هو فهم سبب امتلاكها لهذه الخصائص الغنية وإيجاد طرق لجعل هذه السلوكيات تظهر بشكل أكثر موثوقية.”

المرجع: “عازل مترابط من الاكسيتونات في WSe₂/ WS₂ ريتشين شيانغ ، جاكوب هـ. أنت ، صموئيل ل. “Moiré superlattices” بقلم برانتلي وباتريك هايز ورينيه سيلاس وكينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي وسفاتين تونجاي وتشينهاو جين ، 11 مايو 2023. علوم.
DOI: 10.1126 / science.add5574