Et Quantum Science Center-støttet team har fanget det første utseendet til en tidligere uoppdagelig kvanteeksitasjon kjent som den aksiale Higgs-modusen.
Denne modusen manifesterer seg som en lavenergieksitasjon i tellurider fra sjeldne jordarter, en klasse av kvantematerialer som er kjent for å utvise ladningstetthetsbølge, eller CDW, interaksjoner. Denne oppførselen refererer til arrangementer av interagerende elektroner i kvantematerialer som danner spesifikke mønstre og korrelasjoner.
I motsetning til den vanlige Higgs-modusen, som produseres av en Higgs-mekanisme som gir masse til grunnleggende partikler i Standard modell for partikkelfysikk, er den aksiale Higgs-modusen synlig ved romtemperatur. Denne egenskapen muliggjør mer effektive og kostnadseffektive eksperimenter for å manipulere kvantematerialer for ulike applikasjoner – inkludert neste generasjons minnelagring og opto-elektroniske enheter – som ellers ville kreve ekstremt lave temperaturer.
Teamet som er ansvarlig for disse resultatene, som er publisert i Naturble ledet av forskere ved Boston College og inkluderer forskere fra Harvard University, Princeton University, University of Massachusetts Amherst, Yale University, University of Washington og Chinese Academy of Sciences.
“Dette resultatet er nesten elegant i sin enkelhet – det er virkelig sjelden å finne en ny partikkel med en superren signatur uten mye fanfare,” sa Prineha Narangen assisterende professor ved Harvard og en hovedetterforsker gjennom QSC, et US Department of Energy National Quantum Information Science Research Center med hovedkontor ved DOEs Oak Ridge National Laboratory.
For å måle den aksiale Higgs-modusen brukte forskerne Raman-spektroskopi – en nesten 100 år gammel teknikk designet for å karakterisere strukturen og egenskapene til komplekse materialer – for å observere interferens i baneveier, som demonstrerer kraften til kvantemekanikk til å kontrollere materie. De fant denne interferensen av kvanteveier i flere sjeldne jordarters CDW-systemer, og dette fenomenet vedvarte opp til romtemperatur og var ufølsomt for blandingen av den aksiale Higgs-modusen med nærliggende fononer, eller vibrasjoner i materialet.
“Å emulere fysikken til en aksial Higgs-modus i et bordeksperiment åpner nye horisonter i vår forståelse og bruk av eksotiske partikler,” sa John Petridesen postdoktor ved Harvard’s NarangLab.
Den mest bemerkelsesverdige kvanteaktiviteten vises bare ved svært lave temperaturer, noe som krever fortynningskjøleskap som er avhengige av en begrenset tilførsel av flytende helium. Ellers har fysikken til kvantematerialer en tendens til å være helt usynlig eller skjult av støy, noe som kan føre til at visse egenskaper fases inn og ut av syne så raskt at de ikke kan bekreftes eller studeres ordentlig. Selv om teamet avkjølte CDW-prøvene sine, oppdaget de at signaturen, eller bølgelengden produsert av spektroskopimålinger, forble like rene når materialene varmet opp til romtemperatur.
Forskerne forventer at den aksiale Higgs-modusen sannsynligvis eksisterer andre steder også, inkludert i superledere og magnetiske materialer, som ville tillate eksperimentelle å studere og optimere kvantesystemer uten å stole på ekstreme forhold eller storskala anlegg.
“Det er stor interesse for den aksiale Higgs-modusen fordi den gir et gjenkjennelig fingeravtrykk som representerer et kvantesystem uten behov for å se all fysikken involvert,” sa Narang. “Hvis du trenger å studere et ukjent materiale for å finne ut om det er en spinnvæske eller en superleder eller noe annet, lar muligheten til å fingeravtrykke det kollektive modusspekteret enkelt karakterisere det spektroskopisk.”
Materialer som har den aksiale Higgs-modusen kan til og med brukes som nye kvantesensorer som er i stand til å kategorisere andre kvantesystemer, og ytterligere studier kan potensielt føre til en bedre forståelse av gjennomgripende anomalier, som mørk materie, som ikke kan forklares av standardmodellen.
Dette arbeidet bygger på mange tidligere forskningsinnsatser og markerer en viktig milepæl i jakten på eksotiske kollektive moduser i kvantematerialer, inkludert den aksiale Higgs-modusen. Narang beskriver denne prestasjonen som et betydelig skritt fremover for tverrfaglig forskning fokusert på skjæringspunktet mellom høyenergifysikk og kondensert materie.
“Dette gjennombruddet ville ikke vært mulig uten å ha QSC-aktivert, omfattende samtaler med et mangfoldig team av eksperter, inkludert flere kvinner som leder viktige kvanteforskningsinnsats,” sa hun.
I tillegg til QSC, mottok teamet støtte fra DOE Office of Science, Office of Naval Research, Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation, Gordon and Betty Moore Foundation, David and Lucile Packard Foundation, Sloan Foundation og Swiss National Science Foundation.
QSC, et DOE National Quantum Information Science Research Center ledet av ORNL, utfører banebrytende forskning ved nasjonale laboratorier, universiteter og industripartnere for å overvinne viktige veisperringer i kvantestatsresiliens, kontrollerbarhet og til slutt skalerbarheten til kvanteteknologier. QSC-forskere designer materialer som muliggjør topologisk kvanteberegning; implementere nye kvantesensorer for å karakterisere topologiske tilstander og oppdage mørk materie; og designe kvantealgoritmer og simuleringer for å gi en større forståelse av kvantematerialer, kjemi og kvantefeltteorier. Disse innovasjonene gjør det mulig for QSC å akselerere informasjonsbehandling, utforske det tidligere umålbare og bedre forutsi kvanteytelse på tvers av teknologier. For mer informasjon, besøk qscience.org.– Elizabeth Rosenthal
Ansvarsfraskrivelse: AAAS og EurekAlert! er ikke ansvarlig for nøyaktigheten av nyhetsmeldinger som er lagt ut på EurekAlert! ved å bidra med institusjoner eller for bruk av informasjon gjennom EurekAlert-systemet.