Ανακαλύφθηκε νέο 'φαινομενικό' σωματίδιο που μπορεί να φέρει ένα νέου τύπου κβαντικό υπολογιστή

Πηγή: ScienceDaily, 5 Ιουνίου 2008

Φυσικοί του Ινστιτούτου Weizmann έδειξαν για πρώτη φορά την ύπαρξη φαινομενικών σωματιδίων με το 1/4 του φορτίου του ηλεκτρονίου. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να είναι το πρώτο βήμα προς τη δημιουργία εξωτικών τύπων κβαντικών υπολογιστών που μπορεί να είναι ισχυροί και  ιδιαίτερα σταθεροί.

Η συσκευή που χρησιμοποιείται για να καταδείξει την ύπαρξη των φαινομενικών σωματιδίων ή quasiparticles έχει σχήμα επίπεδης κλεψύδρας, με ένα στενό "λαιμό" που επιτρέπει να περάσει  σε ένα χρονικό διάστημα μόνο ένας μικρός αριθμός σωματιδίων που μεταφέρουν φορτία.

Τα κλασματικά φορτία ηλεκτρονίων προβλέφθηκαν αρχικά πριν 20 χρόνια κάτω από συνθήκες στο κβαντικό φαινόμενο Hall, και βρέθηκαν από την ομάδα Weizmann πριν περίπου δέκα χρόνια.  Αν και τα ηλεκτρόνια είναι αδιαίρετα, εάν είναι περιορισμένα μέσα σε ένα δισδιάστατο στρώμα εντός ενός ημιαγωγού, θερμοκρασίας ένα μικρό κλάσμα του ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, ενώ θα είναι και εκτεθειμένο σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο κάθετο στο στρώμα, τότε τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται φαινομενικά ως ανεξάρτητα σωματίδια, που ονομάζονται quasiparticles, με φορτίο μικρότερο από αυτό του ηλεκτρονίου. Αλλά μέχρι τώρα, αυτά τα φορτία ήταν πάντα κλάσματα με περίεργους παρονομαστές: ένα τρίτο του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, ένα πέμπτο, κ.λπ.

Στο πείραμα που έγινε από τον ερευνητικό σπουδαστή Merav Dolev της ομάδας του Moty Heiblum, σε συνεργασία με τους Vladimir Umansky, Diana Mahalu, και Ady Stern, που ανήκουν όλοι τους στο τμήμα φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, οφείλουμε την ανακάλυψη ότι τα φαινομενικά σωματίδια έχουν το 1/4 του φορτίου του ηλεκτρονίου. Το πείραμα έγινε με μια εξαιρετικά ακριβή οργάνωση και το υλικό που χρησιμοποιήθηκε είχε μοναδικές ιδιότητες. Το υλικό που δημιούργησαν ήταν το αρσενίδιο του γαλλίου γιατί ο ημιαγωγός αυτός ήταν από τους πιο καθαρούς στον κόσμο.

Οι επιστήμονες συντόνισαν την πυκνότητα των ηλεκτρονίων στο δισδιάστατο στρώμα - στο οποίο περιορίστηκαν περίπου τρία δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια σε χώρο ενός τετραγωνικού χιλιοστόμετρου - έτσι ώστε να υπάρχουν πέντε ηλεκτρόνια για κάθε δύο μαγνητικές γραμμές. Το ρεύμα που μέτρησαν είναι ανάλογο προς το φορτίο κι έτσι μπόρεσαν να μετρήσουν ακριβώς το φορτίο των quasiparticles.

Τα quasiparticles (με το 1/4 του φορτίου του ηλεκτρονίου) πρέπει να δρουν αρκετά διαφορετικά από τα περίεργα κλασματικά φορτισμένα σωματίδια, και γι αυτό έχει επιδιωχθεί να γίνουν βάση του θεωρητικού "τοπογραφικού κβαντικού υπολογιστή." Όταν σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, ή ακόμα και αυτά με τα περίεργα κλασματικά φορτία αλλάζουν θέσεις με ένα άλλη, υπάρχει μικρή γενική επίδραση. Αντίθετα, οι ανταλλαγές σωματιδίων με το 1/4 του φορτίου μπορεί να υφάνουν μια "πλεξούδα" που συντηρεί τις πληροφορίες για την ιστορία των σωματιδίων. Για να είναι χρήσιμα για τους τοπογραφικά βασισμένους κβαντικούς υπολογιστές, τα σωματίδια με το 1/4 του φορτίου πρέπει να αποδειχθεί πως έχουν "μη-Αβελιανές" ιδιότητες - αυτός ο τρόπος της πλεξούδας πρέπει να είναι σημαντικός. Αυτές οι λεπτές ιδιότητες είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν. Γι αυτό η ομάδα του Heiblum δουλεύουν τώρα για την επινόηση πειραματικών διαδικασιών για να εξετάσουν αυτές τις ιδιότητες.