De ultrakoude atomen die door de laser werden gemanipuleerd, realiseerden een Laughlin-toestand, een vreemde kwantumvloeistof waarin elk atoom rond zijn soortgenoten danst. Krediet: Nathan Goldman
De ontdekking van quantum hall-effecten in de jaren 80 onthulde nieuwe vormen van materie genaamd “Laughlin-staten”, genoemd naar de Amerikaanse Nobelprijswinnaar die ze met succes theoretisch onderscheidde.
Deze vreemde toestanden komen uniek voor in 2D-materialen, onder extreem koude omstandigheden en wanneer ze worden blootgesteld aan een extreem sterk magnetisch veld. In het geval van Laughlin vormen de elektronen een ongebruikelijke vloeistof, waarin elk elektron rond zijn soortgenoten danst en ze zoveel mogelijk vermijdt.
Excitatie van zo’n kwantumvloeistof genereert collectieve toestanden die natuurkundigen associëren met fantoomdeeltjes, waarvan de eigenschappen fundamenteel verschillen van die van elektronen: deze “ionen” dragen een fractionele lading (een deel van de elementaire lading) en trotseren verrassend genoeg de standaardclassificatie van deeltjes in termen van bosonen of fermionen.
Jarenlang hebben natuurkundigen de mogelijkheid onderzocht om Laughlin-toestanden te realiseren in andere soorten systemen dan die van vaste stoffen, in het licht van verdere analyse van hun speciale eigenschappen. De vereiste componenten (de tweedimensionale aard van het systeem, het intense magnetische veld en sterke correlaties tussen de deeltjes) zijn echter zeer uitdagend gebleken.
Schrijven natuurEen internationaal team rond de experimentele groep van Marcus Grenier op Harvard rapporteerde de eerste realisatie van de Laughlin-staat met behulp van zeer koude neutrale atomen gemanipuleerd door lasers.
Het experiment bestaat uit het vangen van een paar atomen in een optische doos en het implementeren van de ingrediënten die nodig zijn om deze vreemde toestand te creëren: een sterk synthetisch magnetisch veld en sterke, afstotende interacties tussen de atomen.
In hun artikel onthullen de auteurs de bepalende eigenschappen van de Laughlin-toestand door atomen één voor één af te beelden door een krachtige kwantumgasmicroscoop. Ze tonen de vreemde “dans” van deeltjes die om elkaar heen draaien, evenals de gedeeltelijke aard van de gerealiseerde atomaire Laughlin-toestand.
Deze mijlpaal opent de deur naar een enorm nieuw veld voor het verkennen van Laughlin-staten en hun neven (bijvoorbeeld de zogenaamde Moore-Read-toestand) in kwantumsimulaties. De mogelijkheid om edelstenen te creëren, af te beelden en te manipuleren onder een kwantumgasmicroscoop is bijzonder aantrekkelijk, in het licht van de exploitatie van hun unieke eigenschappen in het laboratorium.
Referentie: “Het bereiken van de fractionele Quantum Hall-toestand met extreem koude atomen” door Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman en Marcus Grenier, 21 juni 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
