กราฟีนสองชั้น อุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ และสนามแม่เหล็กแรงสูงอย่างไม่น่าเชื่อ เมื่อผสมพวกมันเข้าด้วยกัน แล้วคุณจะได้ควอซิพาร์ติเคิลใหม่
เครดิตรูปภาพ: Cyan Images/Shutterstock.com
เมื่อเราพิจารณาอวกาศ 3 มิติ มีอนุภาคเพียงสองชั้นเท่านั้น ได้แก่ โบซอนและเฟอร์มิออน ซึ่งแต่ละประเภทมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ทำให้พวกมันแยกจากกัน แต่เอกภพอาจดูแปลกขึ้นเล็กน้อย ปฏิกิริยาบางอย่างระหว่างอนุภาคมีพฤติกรรมเหมือนอนุภาค และเราเรียกพวกมันว่าควอซิพาร์ติเคิล นักวิจัยได้ค้นพบอนุภาคควาซิพติเคิลประเภทใหม่ที่มีพฤติกรรมไม่เหมือนอนุภาคอื่นที่เราเคยเห็น
คลาสนี้ได้รับการตั้งชื่อว่าเศษส่วน excitons และดูเหมือนว่าจะมีคุณสมบัติบางอย่างเหมือนกันกับโบซอน คุณสมบัติบางอย่างเหมือนกับเฟอร์มิออน และคุณสมบัติบางอย่างที่ผลักพวกมันให้อยู่ในหมวดหมู่ของมันเอง ทีมงานที่อยู่เบื้องหลังการค้นพบนี้เชื่อว่ามีศักยภาพมากสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้ quasiparticles เหล่านี้
“การค้นพบของเราชี้ไปที่อนุภาคควอนตัมประเภทใหม่ที่ไม่มีประจุโดยรวม แต่เป็นไปตามสถิติควอนตัมที่ไม่เหมือนใคร” เจีย ลี่ ผู้ร่วมเขียนการศึกษา รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยบราวน์กล่าวในคำแถลง-
“ส่วนที่น่าตื่นเต้นที่สุดคือการค้นพบครั้งนี้ได้ปลดล็อกระยะควอนตัมใหม่ๆ ของสสาร นำเสนอขอบเขตใหม่สำหรับการวิจัยในอนาคต ทำให้เข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานของเราลึกซึ้งยิ่งขึ้น และแม้แต่เปิดโอกาสใหม่ๆ ในการคำนวณควอนตัม” หลี่กล่าวต่อ
หนึ่ง– แม้แต่รสชาติปกติ – ก็เป็นสัตว์ร้ายตัวน้อยที่แปลกประหลาด อิเล็กตรอนถูกนำออกจากวัสดุ ดังนั้นคุณจึงมีอิเล็กตรอนและ "รู" ที่มันทิ้งไว้ หลุมนั้นมีประจุบวก ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงสามารถเริ่มโคจรรอบหลุมได้ นั่นเป็นสิ่งกระตุ้น
วิธีสร้าง excitons อยู่ในเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ นำวัสดุ เช่น กราฟีน ไปสัมผัสกับอุณหภูมิที่ต่ำมาก และนำไปสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่สูงมาก และแรงดันไฟฟ้าด้านข้างจะถูกสร้างขึ้นในวัสดุ ซึ่งเพิ่มขึ้นในขั้นตอนที่ชัดเจนและแยกจากกัน นั่นเป็นควอนตัมสำหรับคุณ แต่มีการอัพเกรดที่แปลกกว่านั้นอีก
จากนั้นจะมีเอฟเฟกต์ฮอลล์ควอนตัมแบบเศษส่วน โดยที่ขั้นตอนต่างๆ จะมีประจุเพียงเศษส่วนของอิเล็กตรอนเท่านั้น ตอนนี้มันแปลกมาก เพราะประจุของอิเล็กตรอนเป็นประจุพื้นฐานของธรรมชาติ ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถมีประจุของอิเล็กตรอน 0.3 หรือ 2.5 ประจุของอิเล็กตรอนได้ แต่คุณก็มีประจุของอิเล็กตรอนได้ใน quasiparticles ด้วยเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วน
การสร้างเอฟเฟกต์นี้ในกราฟีนสองชั้นที่แยกจากกันด้วยผลึกฉนวนของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม ทีมงานจึงได้ค่า exciton แบบเศษส่วน สิ่งเหล่านี้อยู่ระหว่างเฟอร์มิออนและโบซอนเหมือนกับควอซิพาร์ติเคิลอีกตัวที่มีอยู่ในวัสดุ 2 มิติที่เรียกว่าอันโอน แต่พวกมันก็ไม่ได้ประพฤติเช่นนั้นเช่นกัน
“พฤติกรรมที่ไม่คาดคิดนี้ชี้ให้เห็นว่า excitons แบบเศษส่วนอาจเป็นตัวแทนของอนุภาคประเภทใหม่ที่มีคุณสมบัติควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์” Naiyuan Zhang ผู้ร่วมเขียนคนแรกกับ Ron Nguyen และ Navketan Batr ทั้งหมดที่ Brown อธิบาย “เราแสดงให้เห็นว่าสารกระตุ้นสามารถมีอยู่ในระบบควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วน และสารกระตุ้นเหล่านี้บางส่วนเกิดขึ้นจากการจับคู่อนุภาคที่มีประจุเป็นเศษส่วน ทำให้เกิดสารกระตุ้นที่เป็นเศษส่วนซึ่งไม่ทำงานเหมือนโบซอน”
Excitons สามารถพบได้ในเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุอื่นๆ ดังนั้นสิ่งกระตุ้นเหล่านี้จึงมีอิทธิพลต่อกระบวนการและปรากฏการณ์มากมายในเทคโนโลยีทั่วไป การค้นพบ exciton ชนิดใหม่อาจนำไปสู่การใช้งานใหม่
“เราได้ปลดล็อกมิติใหม่สำหรับการสำรวจและจัดการกับปรากฏการณ์นี้แล้ว และเราเพิ่งเริ่มต้นที่จะเริ่มต้นใหม่” หลี่กล่าว “นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคประเภทนี้มีอยู่จริงในการทดลอง และตอนนี้เรากำลังเจาะลึกลงไปถึงสิ่งที่อาจมาจากพวกมัน”
บทความอธิบายผลลัพธ์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารธรรมชาติ-
