Physiker haben einen seltsamen neuen Zustand der Materie in Form eines hochgeordneten Kristalls aus subatomaren Teilchen entdeckt. Der neue Zustand der Materie, der als „Isolator für gebundene Bosonen“ bezeichnet wird, könnte zur Entdeckung vieler neuer Arten exotischer Materialien aus kondensierter Materie führen, so die Forscher, die ihre Ergebnisse in einer am 11. Mai in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie detailliert beschreiben . Wissenschaften.
Subatomare Teilchen können in zwei Klassen eingeteilt werden: Fermionen und Bosonen. Die Hauptunterschiede zwischen den beiden bestehen darin, wie sie rotieren und wie sie miteinander interagieren.
Fermionen wie Elektronen und Protonen werden oft als Bausteine der Materie angesehen, da sie Atome bilden und durch ihren halbrichtigen Spin gekennzeichnet sind. Zwei identische Fermionen können nicht gleichzeitig denselben Raum einnehmen.
Bosonen hingegen übertragen Kraft – wie Photonen oder Lichtpakete – und gelten als der Kitt, der das Universum zusammenhält Grundkräfte der Natur. Diese Teilchen enthalten einen ganzzahligen Spin und mehrere Bosonen können gleichzeitig am selben Ort existieren.
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„Bosonen können das gleiche Energieniveau einnehmen; Fermionen bleiben nicht gerne zusammen“, sagte der Hauptautor der Studie. Qinhao Jinsagte ein Physiker für kondensierte Materie an der University of California, Santa Barbara, in A Stellungnahme. „Zusammen bilden diese Verhaltensweisen das Universum, wie wir es kennen.“
Es gibt jedoch einen Fall, in dem sich zwei Fermionen in ein Boson verwandeln können: Wenn ein negativ geladenes Elektron an einem positiv geladenen „Loch“ in einem anderen Fermion befestigt wird, bildet es ein Bosonteilchen, das als „Exziton“ bezeichnet wird.
Um zu sehen, wie die Exzitonen miteinander interagieren, schichteten die Forscher ein Gitter aus Wolframdisulfid auf ein ähnliches Gitter aus Wolframdiselenid in einem überlappenden Muster, das als Moiré bezeichnet wird. Als nächstes schickten sie einen starken Lichtstrahl durch die Gitter – eine Methode, die als „Pump-Probe-Spektroskopie“ bekannt ist. Diese Bedingungen drückten die Exzitonen zusammen, bis sie so dicht gepackt wurden, dass sie sich nicht mehr bewegen konnten, wodurch ein neuer symmetrisch geladener, neutral geladener Kristallzustand entstand – ein Bosonen-gebundener Isolator.
„Traditionell haben die Menschen ihre meiste Mühe darauf verwendet zu verstehen, was passiert, wenn man viele Fermionen zusammenfügt“, sagte Jin. „Der Hauptantrieb unserer Arbeit ist, dass wir aus den interagierenden Bosonen ein neues Material hergestellt haben.“
Die Forscher sagten, dies sei das erste Mal, dass dieser neue Materiezustand in einem „realen“ Materiesystem und nicht in synthetischen Systemen erzeugt werde, was neue Einblicke in das Verhalten der Bosonen ermögliche. Darüber hinaus könnten die Methoden, mit denen das Team diesen neuen Zustand der Materie entdeckte, den Wissenschaftlern dabei helfen, weitere neue Arten bosonischer Materie zu schaffen.
„Wir wissen, dass einige Materialien sehr seltsame Eigenschaften haben“, sagte Jin. „Eines der Ziele der Physik der kondensierten Materie besteht darin, zu verstehen, warum sie über so reichhaltige Eigenschaften verfügt, und Wege zu finden, diese Verhaltensweisen zuverlässiger erscheinen zu lassen.“
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